在3D打印技術(shù)(shù)中，有一種自然結(jié)構(gòu)被越來(lái)(lái)越多地應(yīng)用于減輕產(chǎn)(chǎn)品重量，并使輕量級(jí)產(chǎn)(chǎn)品更加堅(jiān)固，這種結(jié)構(gòu)就是陀螺晶格。這種復(fù)雜的形狀曾經(jīng)(jīng)幾乎無(wú)(wú)法制造，但現(xiàn)在對(duì)3D打印機(jī)來(lái)(lái)說(shuō)(shuō)已不再是難題，它為產(chǎn)(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)(kāi)辟了一片新天地。 

Protolabs使用金屬激光粉末床融合技術(shù)(shù)構(gòu)建的鈦合金陀螺晶格（來(lái)(lái)源：Protolabs）

陀螺形狀可以用多種3D打印技術(shù)(shù)制作出來(lái)(lái)，它是一種全新的、令人興奮的填充圖案，具有多種明顯的工程優(yōu)(yōu)勢(shì)。從上圖中的直排輪滑鞋到外科植入物、航空航天部件和熱交換器，您會(huì )(huì)發(fā)(fā)現(xiàn)它被廣泛應(yīng)用于各種3D打印產(chǎn)(chǎn)品中。

陀螺結(jié)構(gòu)是一種復(fù)雜的三維幾何圖案，其特點(diǎn)(diǎn)是由錯(cuò)綜復(fù)雜的重復(fù)表面網(wǎng)(wǎng)絡(luò )(luò)組成，在跨越給定邊界的同時(shí)(shí)最大限度地減少了表面積。從技術(shù)(shù)上講，它們是一種三重周期性最小表面（TPMS）結(jié)構(gòu)，我們將在下文對(duì)此進(jìn)(jìn)行深入探討。

Proto3000的工程師使用陀螺儀晶格填充物將螺旋錐齒輪的重量減輕了51%（來(lái)(lái)源：Proto3000）

一、什么是陀螺儀？

Desktop Metal的這款陀螺儀結(jié)構(gòu)3D打印扳手與實(shí)(shí)體工具一樣堅(jiān)固，但質(zhì)(zhì)量和重量減輕了30%

（來(lái)(lái)源：Desktop Metal）

讓我們進(jìn)(jìn)一步分解陀螺。三周期極小曲面意味著(zhù)你可以在三個(gè)(gè)方向上創(chuàng )(chuàng)建陀螺儀圖案。在下圖中，陀螺單元的單個(gè)(gè)晶胞（灰色）可以在x、y和z軸上復(fù)制，以構(gòu)建更大的晶格，例如填充這個(gè)(gè)熱交換器模型的晶格。

極小表面是指跨越邊界點(diǎn)(diǎn)而不會(huì )(huì)產(chǎn)(chǎn)生超出絕對(duì)需要的表面積的表面。雖然試圖理解這個(gè)(gè)想法可能會(huì )(huì)讓你的泡泡破滅，但不用擔(dān)心，因?yàn)櫸試砟ぴ趧?chuàng)造最小表面方面非常出色。想想泡泡棒環(huán)(huán)上的肥皂膜吧。

肥皂接觸到邊界（泡泡棒的邊緣）時(shí)(shí)，不會(huì )(huì)產(chǎn)(chǎn)生任何額外的表面區(qū)域，如凸起或凹陷。肥皂膜會(huì )(huì)非常平整。對(duì)于形狀不規(guī)則的物體也是如此。雖然這是一個(gè)(gè)二維類(lèi)(lèi)比，但您可以理解為一個(gè)(gè)由相連表面組成的網(wǎng)(wǎng)絡(luò )(luò)，在這個(gè)(gè)網(wǎng)(wǎng)絡(luò )(luò)中，肥皂膜形成了一個(gè)(gè)連續(xù)的、相互連接的表面，橫跨魔棒的邊框。

作用中的晶格力學(xué)(xué)：左圖，3D邊界上的肥皂膜；右圖，二維邊界上的肥皂膜（來(lái)(lái)源：Protolabs）

二、為什么在3D打印零件中使用陀螺儀晶格？

3D打印及其創(chuàng )(chuàng)建陀螺晶格的能力為現(xiàn)有材料的新變化、輕量化、生物力學(xué)(xué)、熱傳遞等帶來(lái)(lái)了無(wú)(wú)數(shù)可能性。

奧克蘭大學(xué)(xué)創(chuàng )(chuàng)意設(shè)計(jì)和增材制造實(shí)(shí)驗(yàn)室發(fā)(fā)現(xiàn)，鞋墊可以采用螺旋晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)足部壓力圖自動(dòng)(dòng)生成較硬和較軟的區(qū)域，以在需要的地方緩解壓力（來(lái)(lái)源：奧克蘭大學(xué)(xué)創(chuàng )(chuàng)意設(shè)計(jì)和增材制造實(shí)(shí)驗(yàn)室）增材制造實(shí)(shí)驗(yàn)室）

1、輕量化

瑞士應(yīng)用科學(xué)(xué)大學(xué)(xué)機(jī)械工程與材料技術(shù)(shù)學(xué)(xué)院的研究人員了解到，蝴蝶翅膀上的陀螺格子有助于保持翅膀的硬度，但重量卻很輕。

他們將陀螺儀晶格與碳纖維增強(qiáng)塑料肋條相結(jié)合，就像蝴蝶翅膀上的肋條一樣。格子是用立體光刻技術(shù)(shù)（SLA）用管子制成的，他們將碳纖維增強(qiáng)肋條安裝在管子中。通過(guò)(guò)測(cè)試，他們能夠在不增加密度的情況下制造出更堅(jiān)硬的晶格。他們還研究了棒材厚度和陀螺孔隙率等變量對(duì)最終材料的影響。這只是研究輕量化應(yīng)用中陀螺格子的眾多研究之一。

Restor3d設(shè)計(jì)和制造個(gè)(gè)性化植入物，例如這些具有螺旋晶格結(jié)構(gòu)的頸椎融合器

通過(guò)(guò)具有最大表面積的完全互連結(jié)構(gòu)促進(jìn)(jìn)骨骼向內(nèi)生長(cháng)(zhǎng)（來(lái)(lái)源：Restor3d）

2、骨與組織工程

陀螺儀為骨骼和組織支架提供了新的機(jī)遇。在骨骼受傷的情況下，醫(yī)生會(huì )(huì)安裝帶有支架格子的人工骨骼植入物來(lái)(lái)替代受損部位。這些支架的機(jī)械性能非常重要，但多孔性也同樣重要。隨著(zhù)時(shí)(shí)間的推移，新組織將長(cháng)(zhǎng)入支架。工程師們面臨的挑戰(zhàn)是，如何設(shè)計(jì)出具有足夠孔隙率的支架，使組織能夠生長(cháng)(zhǎng)和流體運(yùn)動(dòng)(dòng)，同時(shí)(shí)又不影響機(jī)械性能。

如今，在3D打印人工骨植入物中，使用了各種晶格結(jié)構(gòu)來(lái)(lái)復(fù)制天然骨的多孔性。理想情況下，可以根據(jù)患者的病情、植入物的類(lèi)(lèi)型以及所需的機(jī)械和生物性能來(lái)(lái)選擇每種晶格，它們都有各自的設(shè)計(jì)考慮因素和優(yōu)(yōu)點(diǎn)(diǎn)。

一項(xiàng)研究發(fā)(fā)現(xiàn)，陀螺狀支架的抗壓強(qiáng)度高于所研究的其他陀螺狀支架。澳大利亞維多利亞州皇家墨爾本理工大學(xué)(xué)和迪肯大學(xué)(xué)的研究人員對(duì)陀螺狀支架的性能進(jìn)(jìn)行了研究。他們的研究通過(guò)(guò)FDM使用聚乳酸制造陀螺。這項(xiàng)研究只關(guān)(guān)注材料測(cè)試，以及熔融沉積成型（FDM）陀螺是否是骨組織支架的良好選擇，研究結(jié)果很有希望。

蘇黎世大學(xué)(xué)更進(jìn)(jìn)一步，在培養(yǎng)皿中測(cè)試了陀螺儀在體外和兔子體內(nèi)的性能。這項(xiàng)研究將三種類(lèi)(lèi)型的TPMS與傳統(tǒng)的晶格進(jìn)(jìn)行了比較。如果您決定查看他們的研究論文，就會(huì )(huì)發(fā)(fā)現(xiàn)他們將我們一直在討論的陀螺形狀稱(chēng)(chēng)為菱形，但為了保持一致，我們?cè)讖@里還是稱(chēng)(chēng)之為陀螺。在測(cè)試的各種形狀中，陀螺的剛度和抗壓強(qiáng)度最高，彈性模量與骨骼相當(dāng)。與其他形狀的支架相比，陀螺形狀支架內(nèi)的組織量在統(tǒng)計(jì)學(xué)(xué)上有顯著(zhù)增加。在為期4周的試驗(yàn)中，與其他TPMS形狀或傳統(tǒng)的格子相比，陀螺支架有更多的骨質(zhì)(zhì)生長(cháng)(zhǎng)，骨與植入物的接觸程度更高。研究得出結(jié)論，由于陀螺支架兼顧了機(jī)械性能、多孔性和低材料體積，因此在骨組織應(yīng)用方面大有可為。

Desktop Metal公司Aidro的3D打印熱交換器具有螺旋晶格內(nèi)部結(jié)構(gòu)，被稱(chēng)(chēng)為T(mén)(mén)oucan Beak（來(lái)(lái)源：Aidro） 

3、熱交換器

螺旋晶格的獨(dú)特形狀，除了材料體積小之外，使其成為熱交換器的理想選擇。

這就是陀螺儀的作用所在。格拉斯哥大學(xué)(xué)的研究人員利用計(jì)算機(jī)建模研究了兩種TPMS結(jié)構(gòu)與更傳統(tǒng)的印刷電路熱交換器（PCHE）的比較。測(cè)試的TPMS結(jié)構(gòu)之一是陀螺儀，另一種是Schwarz-D結(jié)構(gòu)。這兩種TPMS結(jié)構(gòu)的性能都優(yōu)(yōu)于PCHE基線(xiàn)。這是因?yàn)檫@兩種TPMS結(jié)構(gòu)都有更大的表面積通過(guò)(guò)傳導(dǎo)進(jìn)(jìn)行熱量傳遞，更重要的是，這兩種結(jié)構(gòu)都能在通過(guò)(guò)熱交換器的氣流中產(chǎn)(chǎn)生更多的湍流，從而通過(guò)(guò)對(duì)流進(jìn)(jìn)行更多的熱量傳遞?？傮w而言，陀螺儀和Schwarz-D結(jié)構(gòu)的性能均優(yōu)(yōu)于基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)15%-100%，具體取決于流動(dòng)(dòng)條件。

雖然這項(xiàng)研究完全是通過(guò)(guò)計(jì)算機(jī)模擬完成的，但它為其他研究打開(kāi)(kāi)了大門(mén)(mén)，在這些研究中，可以將使用增材制造技術(shù)(shù)制造的實(shí)(shí)際熱交換器與更傳統(tǒng)的熱交換器進(jìn)(jìn)行比較。

設(shè)計(jì)公司Slicelab設(shè)計(jì)的直排輪輪轂采用螺旋晶格結(jié)構(gòu)，以減輕重量和材料使用（來(lái)(lái)源：Slicelab）

4、消費(fèi)產(chǎn)(chǎn)品

在消費(fèi)品中，不乏重量更輕、用料更少的產(chǎn)(chǎn)品。從體育用品、廚房用具到玩具，所有產(chǎn)(chǎn)品都可以用更少的材料制成，但功能卻一樣好，甚至更好。此外，陀螺格子在視覺(jué)(jué)上也很吸引人。

由于將陀螺格子結(jié)構(gòu)應(yīng)用到消費(fèi)品上需要使用3D打印技術(shù)(shù)，因此目前市場(chǎng)(chǎng)上還沒(méi)(méi)有這方面的實(shí)(shí)例。但設(shè)計(jì)公司Slicelab展示了一個(gè)(gè)很好的例子，說(shuō)(shuō)明3D打印陀螺結(jié)構(gòu)可以為直排輪滑鞋等產(chǎn)(chǎn)品帶來(lái)(lái)什么。

Slicelab的一位創(chuàng )(chuàng)始人在重新開(kāi)(kāi)始滑冰之后，受到啟發(fā)(fā)，想要?jiǎng)?chuàng)造出與眾不同的、適合他所追求的滑冰類(lèi)(lèi)型的產(chǎn)(chǎn)品。他們使用nTop軟件，將標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)(shí)心塑料輪殼換成了陀螺格子輪殼，以實(shí)(shí)現(xiàn)輕量化。在車(chē)(chē)輪之間需要較少結(jié)構(gòu)的區(qū)域，一個(gè)(gè)戰(zhàn)略性的陀螺儀系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)開(kāi)(kāi)口緊密結(jié)合。

這些部件采用尼龍PA-12材料在惠普全彩Jet Fusion 580粘合劑噴射機(jī)上進(jìn)(jìn)行3D打?。ㄔ撛O(shè)備已停產(chǎn)(chǎn)）。

三、設(shè)計(jì)陀螺儀晶格的軟件

使用nTop軟件設(shè)計(jì)換熱器的陀螺晶格結(jié)構(gòu)（來(lái)(lái)源：nTop）

巴斯夫推出的一款名為Ultrasim 3D Lattice Engine的新產(chǎn)(chǎn)品非常簡(jiǎn)(jiǎn)單。上傳您的零件STL，從庫(kù)中選擇一個(gè)(gè)晶格并嘗試一些設(shè)置以獲得您正在尋找的屬性，然后導(dǎo)出。

然而，如果您希望晶格設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，更多CAD軟件包即將推出，以方便對(duì)陀螺晶格進(jìn)(jìn)行建模。例如，Siemens NX現(xiàn)在擁有一個(gè)(gè)隱式建模模塊，面向增材制造領(lǐng)(lǐng)域的工程師。Autodesk Fusion 360很快跟進(jìn)(jìn)，通過(guò)(guò)產(chǎn)(chǎn)品設(shè)計(jì)擴(kuò)展提供了體積晶格工具。然而，用于增材制造的高度有機(jī)零件設(shè)計(jì)的首要軟件是nTop，這并不奇怪，因?yàn)樗彩翹幚磽勇菥Ц竦慕^佳選擇。

生成晶格結(jié)構(gòu)的軟件：

nTop

Altair Sulis

Autodesk Fusion 360&Netfabb

Siemens NX

Materialize 3-Matic

Altair Optistruct&Inspire

PTC Creo

Carbon Design Engine

General Lattice

Metafold 3D

Ultrasim 3D Lattice Engine

在PTC Creo軟件中將陀螺儀結(jié)構(gòu)應(yīng)用到零件內(nèi)部（來(lái)(lái)源：PTC）

四、如何3D打印陀螺晶格

設(shè)計(jì)采用激光粉末床融合3D打印技術(shù)(shù)制成的螺旋晶格零件需要確保為未使用的粉末材料制定逃生計(jì)劃

（來(lái)(lái)源：Hyperganic）

快速成型技術(shù)(shù)為那些希望從陀螺格子中獲益的學(xué)(xué)術(shù)(shù)界和工業(yè)(yè)界人士帶來(lái)(lái)了福音。如果您想探索它們，請(qǐng)繼續(xù)閱讀將陀螺晶格融入設(shè)計(jì)的最佳實(shí)(shí)踐。

雖然每種3D打印技術(shù)(shù)都采用逐層打印的方法，但不同的技術(shù)(shù)對(duì)成功構(gòu)建陀螺格子有不同的要求。

在構(gòu)建陀螺格子時(shí)(shí)，有兩個(gè)(gè)主要問(wèn)(wèn)題需要考慮：原材料滯留和支撐結(jié)構(gòu)滯留。

您可以使用熔融沉積建模(FDM)技術(shù)(shù)制作虛構(gòu)的陀螺晶格，如BigRep的這些輕量且靈活的擠出機(jī)案例所示

（來(lái)(lái)源：BigRep）

1、填充與格子

對(duì)許多人來(lái)(lái)說(shuō)(shuō)，他們第一次接觸3D打印是使用聚合物絲作為材料的熔融沉積建模（FDM）。FDM的一大優(yōu)(yōu)勢(shì)是填充。在準(zhǔn)備打印零件時(shí)(shí)，切片軟件會(huì )(huì)為您提供填充選項(xiàng)。這樣，零件的中間部分就不會(huì )(huì)是一個(gè)(gè)實(shí)(shí)心零件，而是一個(gè)(gè)晶格，從而節(jié)省了重量、材料和制作時(shí)(shí)間。填充的好處在于，切片軟件會(huì )(huì)為您制作格子，您只需選擇密度或填充壁厚度等設(shè)置即可。

流行的切片軟件UltiMaker Cura和PrusaSlicer都有陀螺儀填充選項(xiàng)。這為您提供了一種在零件中獲得陀螺結(jié)構(gòu)優(yōu)(yōu)勢(shì)的直接方法。

填充是FDM和其他擠壓型技術(shù)(shù)所特有的。關(guān)(guān)鍵因素是在制造時(shí)(shí)，零件周?chē)絲諝饌鉀](méi)(méi)有其他任何東西。對(duì)于許多其他類(lèi)(lèi)型的添加劑技術(shù)(shù)來(lái)(lái)說(shuō)(shuō)，制造零件時(shí)(shí)周?chē)際竊牧?，因此試圖用填充物制造零件意味著(zhù)零件中充滿(mǎn)了樹(shù)(shù)脂或粉末。正因?yàn)槿绱?，填充物在其他?lèi)型的3D打印中并不常用。

對(duì)于所有其他3D打印技術(shù)(shù)，必須由零件設(shè)計(jì)者在模型中構(gòu)建陀螺狀或其他形式的晶格。在本文的其余部分，我指的是內(nèi)置在模型中的晶格，而不是在切片過(guò)(guò)程中應(yīng)用的填充物。

2、原材料去除

設(shè)計(jì)帶有陀螺格子的零件的第一步是確保為原材料可以去除。您需要確保有通道來(lái)(lái)清理晶格。

對(duì)于SLA或數(shù)字光處理(DLP)等基于樹(shù)(shù)脂的技術(shù)(shù)，在制作完成后需要將樹(shù)(shù)脂從部件中清理出來(lái)(lái)，因此部件需要有排水孔。許多基于樹(shù)(shù)脂的工業(yè)(yè)打印機(jī)需要在構(gòu)建后進(jìn)(jìn)行后固化循環(huán)(huán)，以鎖定零件的最終機(jī)械性能。如果有剩余的樹(shù)(shù)脂，就會(huì )(huì)在這個(gè)(gè)周期內(nèi)固化，從而堵塞晶格。

一些基于粉末的技術(shù)(shù)，如用于聚合物的選擇性激光燒結(jié)（SLS）或多重噴射熔融（MJF），或用于金屬的電子束熔融（EBM），可以生產(chǎn)(chǎn)零件餅。從機(jī)器上取下的成型件是大塊的粉末，有助于在成型過(guò)(guò)程中支撐零件。這些粉末需要壓縮空氣或壓縮空氣與粉末原料的組合來(lái)(lái)清除。這些類(lèi)(lèi)型的技術(shù)(shù)在構(gòu)建內(nèi)腔時(shí)(shí)是一個(gè)(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈冃枰苯擁囊暰€(xiàn)，壓縮空氣才能完全清除晶格。雖然空氣會(huì )(huì)在零件內(nèi)部旋轉(zhuǎn)和渦流，但不足以使粉末完全脫落。對(duì)于SLS或MJF來(lái)(lái)說(shuō)(shuō)，這可能意味著(zhù)最終零件內(nèi)部會(huì )(huì)有松散的粉末，如果晶格看到流體流動(dòng)(dòng)，這些粉末就會(huì )(huì)被打散。對(duì)于EBM零件（通常需要在制造后進(jìn)(jìn)行熱處理），任何剩余粉末都會(huì )(huì)凝固并堵塞晶格。

其他類(lèi)(lèi)型的粉末打印，如激光粉末床熔融（LPBF），也稱(chēng)(chēng)為選擇性激光熔融（SLM），其粉末流動(dòng)(dòng)松散，就像沙子一樣。晶格內(nèi)的殘留粉末問(wèn)(wèn)題要小得多。不過(guò)(guò)，根據(jù)晶格的復(fù)雜程度，可能需要進(jìn)(jìn)行大量的震動(dòng)(dòng)、搖晃和滾動(dòng)(dòng)才能確保所有粉末都消失。在Protolabs，我們有一臺(tái)特殊的粉末清除機(jī)，它可以幫我們完成所有這些工作，在清除復(fù)雜幾何體中的粉末方面，它比我們手工操作的效果要好得多。

3、自支撐陀螺

雖然格子外部的支撐結(jié)構(gòu)沒(méi)(méi)有問(wèn)(wèn)題，但任何深入格子內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)都很難拆除，甚至無(wú)(wú)法拆除。理想情況下，您希望您的陀螺格子完全沒(méi)(méi)有支撐物。事實(shí)(shí)上，選擇陀螺儀通常是因?yàn)樗鼈儽舊聿恍枰?，但這也取決于您的應(yīng)用。

從一個(gè)(gè)角度看陀螺格子，它是一系列螺旋狀的管子。這意味著(zhù)，您可以根據(jù)所采用的技術(shù)(shù)，使用最小的無(wú)(wú)支撐槽直徑。以下是關(guān)(guān)于在需要使用支撐結(jié)構(gòu)之前，陀螺格子上的"通道"直徑可以有多大的一般指導(dǎo)原則。當(dāng)您超過(guò)(guò)這些建議的直徑時(shí)(shí)，您會(huì )(huì)發(fā)(fā)現(xiàn)朝下的表面會(huì )(huì)越來(lái)(lái)越粗糙，直到頂部無(wú)(wú)法長(cháng)(zhǎng)入。

4、設(shè)計(jì)陀螺以避免支撐

對(duì)于使用SLA和LPBF等支撐的技術(shù)(shù)，格子的起止方式很重要。當(dāng)格柵以低角度的懸垂部分為終點(diǎn)(diǎn)時(shí)(shí)，可能需要支撐。但是，如果格子的終點(diǎn)(diǎn)是邊緣墻壁較為垂直的位置，則無(wú)(wú)需支撐即可成功建造。

理想情況下，花格應(yīng)該有墻，以達(dá)到最佳效果。如果花格的末端是墻，那么成功搭建的幾率就會(huì )(huì)高很多。對(duì)于獨(dú)立的陀螺花格來(lái)(lái)說(shuō)(shuō)，外面的支撐并不是最糟糕的，因?yàn)樗鼈兒莧菀捉詠筒鴣?。但是，如果花格的末端位于需要支撐的部分?nèi)，那么支撐就很難拆除，甚至可能無(wú)(wú)法拆除。

編譯整理：ALL3DP