理解3D打印點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)性能以及設(shè)計(jì)規(guī)則

胞元結(jié)構(gòu)是增材制造的一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，正如建筑用的空心磚，胞元的應(yīng)用減少了材料的使用，有效幫助實(shí)現(xiàn)輕量化。四種常見(jiàn)的胞元結(jié)構(gòu)包括蜂窩，開(kāi)孔泡沫，閉孔泡沫與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料由于在熱、電和光學(xué)性能等方面具有的優(yōu)勢(shì)，以及作為潛在的輕量化材料而受到人們關(guān)注。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)零部件不同的外觀和性能打開(kāi)了一扇門。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)所固有的復(fù)雜性，使得增材制造/3D打印技術(shù)與其制造有著天然的結(jié)合點(diǎn)。3D打印的一大優(yōu)勢(shì)是靈活性以及打印成本對(duì)產(chǎn)品的復(fù)雜性不敏感，這也是復(fù)雜的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)成為3D打印領(lǐng)域的一大熱門研究方向的主要原因。

在使用3D打印技術(shù)作為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造方式時(shí)，設(shè)計(jì)師能夠釋放和發(fā)掘點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的功能和潛力，從而提高其產(chǎn)品的性能。同時(shí)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路也可以促使設(shè)計(jì)者重新思考零件所需的性能，以探索更多的設(shè)計(jì)空間。

結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)合

自然界中隨處可見(jiàn)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如骨骼和金屬晶體等。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，利用點(diǎn)陣的機(jī)械效能，如超大表面積，優(yōu)異的減震性能，抗沖擊保護(hù)等，能夠克服傳統(tǒng)制造的限制，創(chuàng)造新的、更高性能的產(chǎn)品。

優(yōu)異的強(qiáng)度-重量比

通常有兩種途徑可以改善部件的強(qiáng)度-重量比。傳統(tǒng)制造中，是通過(guò)減少非關(guān)鍵區(qū)域的材料來(lái)減少材料的使用，以減輕重量。而點(diǎn)陣設(shè)計(jì)卻可以同時(shí)減少零件關(guān)鍵區(qū)域中的材料以減輕重量，這樣做有時(shí)確實(shí)降低了零件的整體強(qiáng)度，但卻可以提高強(qiáng)度 – 重量比。

超大的表面積

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料不僅重量輕，而且可以釋放大量的表面積 ，這類結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)熱交換和化學(xué)反應(yīng)。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以顯著增大有效表面積，如果散熱器中充滿冷空氣，也可以快速帶走熱量。以計(jì)算機(jī)熱交換器為例，計(jì)算機(jī)處理器的性能往往會(huì)受到產(chǎn)生的熱量的影響，熱交換器的工作就是在風(fēng)扇的協(xié)助下，將熱量從芯片中除去并將其排出到大氣中，該系統(tǒng)的整體效率與散熱器的表面積息息相關(guān)。然而，如果沒(méi)有3D打印技術(shù)，“小” 特征想具有大表面積是難以實(shí)現(xiàn)的。

目前，從汽車、航空航天、能源到電子行業(yè)等都在嘗試使用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)提高熱交換效率。比如說(shuō)，根據(jù)市場(chǎng)研究，UTC聯(lián)合技術(shù)在其燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件內(nèi)部設(shè)計(jì)了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，它們的作用是為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件提供有效的局部對(duì)流冷卻，使得部件可以經(jīng)受通過(guò)核心流動(dòng)路徑的熱燃燒氣體的高溫。這些點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以通過(guò)粉末床激光熔融3D打印技術(shù)來(lái)生產(chǎn)，還可以通過(guò)電子束熔化（EBM）工藝來(lái)生產(chǎn)。由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的存在，發(fā)動(dòng)機(jī)保持了廣泛的熱交換表面，可以獲得較高的散熱表面/體積比。

出色的減震和沖擊保護(hù)

點(diǎn)陣還可以通過(guò)更好地吸收能量來(lái)保護(hù)產(chǎn)品。例如有點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)鞋中底和橄欖球頭盔緩沖結(jié)構(gòu)，在受到外力作用時(shí)，它們可以吸收撞擊力起到安全保護(hù)的作用。

審核編輯 黃昊宇