隨著(zhù)帶有3D打印鞋中底的運動(dòng)鞋在消費市場(chǎng)上打開(kāi)局面，其中的關(guān)鍵技術(shù)-基于彈性塑料材料的3D打印晶格結構（3D打印點(diǎn)陣結構）作為替代傳統(tǒng)泡沫塑料的新一代緩沖、防護材料，引起了制造業(yè)(yè)的關(guān)注。

在生活中，運動(dòng)鞋、矯形鞋墊、防護頭盔、汽車(chē)座椅、耳機等眾多產(chǎn)(chǎn)品中都不乏泡沫塑料的應用。那么，3D打印點(diǎn)陣晶格結構是否也可以用在更廣泛的領(lǐng)域？運動(dòng)、防護類(lèi)零件/從產(chǎn)(chǎn)品制造商，怎樣運用3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)(chǎn)品性能升級？

國際著(zhù)名塑料零部件制造商?？耸?lè )（OECHSLER）在點(diǎn)陣晶格結構3D打印領(lǐng)域已積累了大量生產(chǎn)(chǎn)案例，在塑料3D打印零件生產(chǎn)(chǎn)領(lǐng)域建立了從產(chǎn)(chǎn)品設計開(kāi)發(fā)(fā)到量產(chǎn)(chǎn)的增材制造全價(jià)值鏈增值服務(wù)。本期3D科學(xué)谷與谷友通過(guò)位于中國太倉的?？聳?/span>3D打印點(diǎn)陣晶格結構生產(chǎn)(chǎn)案例，來(lái)共同領(lǐng)略關(guān)于大批量生產(chǎn)(chǎn)背后的精益之道。

“擾亂”泡沫塑料的3D打印點(diǎn)陣結構

消費級的泡沫塑料用途廣泛… …

硬質(zhì)泡沫塑料可做熱絕緣材料和隔音材料，管道和容器等的保溫材料，漂浮材料及減震包裝材料等。傳統(tǒng)軟質(zhì)泡沫材料，如EVA，由于質(zhì)量輕、柔軟度好，具備緩沖、吸音、吸震、保溫、過(guò)濾等功能，廣泛應用于電子、家電、汽車(chē)、體育休閑等行業(yè)(yè)[1]，做襯墊材料，泡沫人造革等應用。[1]

工業(yè)(yè)級應用方面，用反應注射成型制得的玻璃纖維增強聚氨酯泡沫塑料，已用作飛機、汽車(chē)、計算機等的結構部件；而用空心玻璃微珠填充聚苯并咪唑制得的泡沫塑料，質(zhì)輕而耐高溫，已用于航天器中。[2]

在部分領(lǐng)域，3D打印晶格結構已開(kāi)始替代傳統(tǒng)泡沫塑料。

面向增材制造的點(diǎn)陣晶格設計© ?？聳?/span>

以消費領(lǐng)域的體育用品為例，足球防護墊、運動(dòng)鞋中底都是傳統(tǒng)EVA 泡沫材料的應用場(chǎng)景，這一材料具有緩沖和能量回饋作用。其中運動(dòng)鞋中底最常用的泡沫是稱(chēng)為EVA（乙烯醋酸乙烯酯）的閉孔泡沫。[3]

長(cháng)期以來(lái)，EVA泡沫被用作鞋中底的制造材料。那么，在什么情況下，制造商能夠將目光轉向3D打印晶格結構呢？

仍以運動(dòng)鞋中底制造為例。揭開(kāi)3D打印晶格結構的“面紗”，引起運動(dòng)鞋制造企業(yè)(yè)重視的重要原因是，3D打印應用能夠使他們擺脫傳統(tǒng)鞋中底制造方式的局限性，提供復雜的高性能整體設計。

使用傳統(tǒng)工藝，制造商通常需要組裝多個(gè)零件才能在單個(gè)中底中創(chuàng )(chuàng)建不同的性能區(qū)域，而使用3D打印技術(shù)則能夠在同一塑料零件中以數(shù)字化的方式制造具有不同功能區(qū)的鞋底。在3D打印鞋中底中，起到關(guān)鍵作用的是3D打印晶格結構。

更廣泛的應用成為可能！

3D打印晶格結構，可以認為是大量相同的點(diǎn)陣單元通過(guò)某種形式周期性地組合而構成的多孔結構。這種結構的性能具有很高的設計靈活性，通過(guò)調整點(diǎn)陣的相對密度、單胞的構型、連桿的尺寸，達到結構的強度、剛度、韌性、耐久性、靜力學(xué)性能、動(dòng)力力學(xué)性能的完美平衡。[4]

這意味著(zhù)，設計師通過(guò)調整單個(gè)胞元尺寸、桿徑和胞元形狀，將可能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)(chǎn)品更高的設計美感和力學(xué)性能。結合3D打印在制造復雜結構方面的能力，設計師能夠更加能夠專(zhuān)注于產(chǎn)(chǎn)品本身，這為3D打印晶格結構的應用打開(kāi)了更大的空間。

接下來(lái)，我們通過(guò)?？聳?lè )已進(jìn)行批量生產(chǎn)(chǎn)的案例，來(lái)看一看3D打印晶格結構怎樣與產(chǎn)(chǎn)品結合，為產(chǎn)(chǎn)品設計創(chuàng )(chuàng)新以及性能提升帶來(lái)哪些可能性。

從運動(dòng)鞋中底切入到3D打印精益制造全價(jià)值鏈

?？聳?lè )是面向大批量生產(chǎn)(chǎn)的高附加值產(chǎn)(chǎn)品的精益化制造解決方案提供商，在競爭中擁有獨特的市場(chǎng)定位，?？聳憤€擁有代表最新技術(shù)水平的測量技術(shù)，極高水準的質(zhì)量和環(huán)(huán)境管理。在中國，?？聳?lè )灾@珎}為汽車(chē)、醫(yī)療、工業(yè)(yè)和鞋類(lèi)板塊生產(chǎn)(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)(chǎn)品。

l 運動(dòng)鞋中底

?？耸?lè )從運動(dòng)鞋中底的制造切入到了3D打印市場(chǎng)，?？聳紛⒅叵冗M(jìn)技術(shù)的創(chuàng )(chuàng)新與研發(fā)(fā)，在面向增材制造的晶格結構設計與這類(lèi)結構的增材制造（3D打?。┡可a(chǎn)(chǎn)領(lǐng)域走在業(yè)(yè)界前列。?？聳?lè )通過(guò)位于德國、美國和中國（太倉）的生產(chǎn)(chǎn)基地，已經(jīng)(jīng)生產(chǎn)(chǎn)了超過(guò)200萬(wàn)個(gè)3D打印零件，在此基礎上，?？聳?lè )建立了?/span>3D打印產(chǎn)(chǎn)品設計開(kāi)發(fā)(fā)，到成品批量生產(chǎn)(chǎn)的增材制造全價(jià)值鏈增值服務(wù)。

?？耸?lè )生產(chǎn)(chǎn)的高性能運動(dòng)鞋中底© ?？聳?/span>

上圖是?？耸?lè )采用Carbon 公司DLS? 高速光固化3D打印設備生產(chǎn)(chǎn)的3D打印鞋中底，?？耸?lè )太倉生產(chǎn)(chǎn)基地每年可向客戶(hù)交付近100萬(wàn)雙的鞋中底。

?？聳?lè )有針對芯壞細化客懠g棖?，利用晶格設計擁有的獨特設計靈活性，達到客戶(hù)產(chǎn)(chǎn)品所需的功能，性能等要求。晶格設計往往擁有復雜的幾何結構，而制造復雜的結構恰好是增材制造技術(shù)在工業(yè)(yè)制造中的競爭優(yōu)(yōu)勢之一，可以說(shuō)晶格設計與增材制造的絕妙組合將能給客戶(hù)的產(chǎn)(chǎn)品帶來(lái)獨特的創(chuàng )(chuàng)新性。

對于量產(chǎn)(chǎn)3D打印產(chǎn)(chǎn)品而言，保持質(zhì)量一致性至關(guān)重要。?？聳?lè )通過(guò)嚴格的生產(chǎn)(chǎn)環(huán)(huán)境控制，選擇合適的打印技術(shù)和優(yōu)(yōu)化的后處理工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)打印量產(chǎn)(chǎn)質(zhì)量的一致性。

?？聳?lè )整個(gè)生產(chǎn)(chǎn)車(chē)間，包括原材料存儲倉庫通過(guò)獨立的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫度濕度的穩(wěn)定控制，配合不同區(qū)域點(diǎn)位的實(shí)施監(jiān)控形成閉環(huán)(huán)管控，保證了整個(gè)打印生產(chǎn)(chǎn)過(guò)程環(huán)(huán)境的穩(wěn)定性。

?？聳?lè )摯冃全球最多?/span>Carbon 3D打印機。采用逐層沉積原理的增材制造工藝，其機械性能取決于部件的打印方向（各向異性），而Carbon 的DLS 數(shù)字光合成技術(shù)所生產(chǎn)(chǎn)的零件在所有方向上都表現(xiàn)一致（各向同性）。這是保證打印產(chǎn)(chǎn)品質(zhì)量一致性的條件之一。

對于某些需要二次固化的3D打印產(chǎn)(chǎn)品而言，產(chǎn)(chǎn)品的后處理好壞，除了會(huì )直接影響外觀(guān)表現(xiàn)外，更是會(huì )直接決定最終產(chǎn)(chǎn)品力學(xué)功能特性。?？聳?lè )哉婓處理工藝研發(fā)(fā)方面的能力與豐富經(jīng)(jīng)驗，為量產(chǎn)(chǎn)產(chǎn)(chǎn)品的質(zhì)量一致性提供有效保證。

l  防護頭盔

?？耸?lè )生產(chǎn)(chǎn)的高性能橄欖球頭盔護墊© ?？聳?/span>

極強沖擊力的美式橄欖球頭盔護墊，設計師通過(guò)運動(dòng)員對保護頭盔的性能要求，選擇合適的晶格形狀，通過(guò)精細調整每個(gè)支撐桿徑的厚度來(lái)調整晶格結構的硬度，對十幾萬(wàn)個(gè)獨立的晶格支撐結構進(jìn)行特別調整，最終實(shí)現(xiàn)了晶格結構中內(nèi)部的阻尼支柱與運動(dòng)員在運動(dòng)中所經(jīng)(jīng)歷的沖擊方向相對來(lái)吸收和分散能量。

高性能橄欖球頭盔護墊細節(jié)圖© Carbon

此外，該頭盔襯墊除了提供卓越的保護性能，還能給運動(dòng)員帶來(lái)卓越的透氣性和出色的貼合度。

l  防護面罩防護區(qū)域

在抗擊新冠疫情的過(guò)程中，醫(yī)護人員在長(cháng)時(shí)間佩戴防護面罩后會(huì )感到不適。

?？聳飛a(chǎn)(chǎn)的3D打印防護面罩© ?？耸?lè )

?？聳飛a(chǎn)(chǎn)的防護面罩，采用了面向增材制造的先進(jìn)晶格設計，優(yōu)(yōu)化了晶胞形狀，材料為高性能彈性體，打印成型后顯著(zhù)提升了該防疫面罩的佩戴舒適度和可靠性。

l  汽車(chē)座椅

3D打印晶格結構在舒適性方面所帶來(lái)的新體驗，引起了高端汽車(chē)制造商的興趣，這種面向增材制造的先進(jìn)設計被集成在了汽車(chē)座椅中。

?？聳飛a(chǎn)(chǎn)的汽車(chē)座椅3D打印中間層材料（右）© ?？耸?lè )

?？聳飛a(chǎn)(chǎn)的3D打印晶格結構，可作為座椅的中間層材料，這里也是座椅的舒適層。在座椅的不同區(qū)域，3D打印晶格胞元的設計有所不同，晶格設計的多樣性，使得座椅的不同區(qū)域具有不同的功能與性能。

座椅舒適層的應用，很好的體現(xiàn)了3D打印晶格結構的性能所具有的高設計靈活性。

重塑產(chǎn)(chǎn)品的精益之道！

3D打印晶格結構為以往受到泡沫塑料工藝限制而無(wú)法實(shí)現(xiàn)的設計，帶來(lái)突破的可能性。?？耸?lè )建立的增材制造全價(jià)值鏈增值服務(wù)體系，為面向增材制造的先進(jìn)設計提供了轉化為現(xiàn)實(shí)產(chǎn)(chǎn)品的大批量精益制造交付能力。

自行車(chē)座、鞋中底、汽車(chē)座椅、頭盔襯墊、矯形鞋墊、頭戴式耳機…..等應用是3D打印晶格結構的應用起點(diǎn)，隨著(zhù)高性能3D打印材料的豐富，產(chǎn)(chǎn)品開(kāi)發(fā)(fā)團隊將迎來(lái)更多通過(guò)全新設計思維、新材料和增材制造重塑產(chǎn)(chǎn)品舒適性、安全性的新機遇。