点阵晶格结构是一种具有低密度、高强度和卓越力学性能的材料结构。它们通常采用周期性、多孔的基本单元排列组合，形成具有规律性和稳定性的几何图案。晶格结构在多个领域，如材料科学、建筑学和航空航天工程中具有广泛的应用，因为它们能够减轻质量、增加刚度和抗冲击性，同时具有良好的疲劳和形变恢复性能。
晶格结构在20世纪的许多研究中得到了逐步发展。20世纪80年代和90年代，随着计算机辅助设计 (CAD) 和计算机辅助制造(CAM) 技术的发展，晶格结构的设计和制造变得更加精确和高效。然而，晶格结构的快速发展要归功于21世纪初增材制造-3D打印技术的突破。这一技术使得设计和制造复杂的几何形状和拓扑结构成为可能。随着3D打印技术的发展，越来越多的研究和应用集中在晶格结构上，导致了这一领域的快速增长。
尽管晶格结构可以带来诸如降本增效、提高能量吸收效率等多重好处，但它的数据量往往比普通实体零件要大得多，因此也更难仿真、数据处理时间也会更多，以致于阻碍着晶格结构的进一步普及应用。那么，有没有一款得力的设计工具，能够帮助设计师遵循增材制造设计（DfAM）规则，成功开发集成了晶格结构，并且具有增材制造可行性/可打印性的产品呢？3DXpert 软件或许就是答案。Oqton 在基于3DXpert软件发布的《增材制造设计手册》中，以热交换器等案例揭示了增材制造晶格结构的设计规则。接下来，让我们通过热交换器案例，来感受3DXpert 为晶格结构增材制造设计与生产带来的助力。
热交换器
根据3D科学谷，3D打印热交换器设计中的多孔结构可以根据它们的孔隙连通性（开放和封闭孔隙）以及孔隙拓扑和尺寸的规律性（随机和非随机）进行分类。有序的孔形状满足细胞向内生长所需的互连性，具有非随机设计的多孔结构涉及基于点阵晶格和 TPMS 的晶胞。为了实现所需要的产品性能，需要优化诸如孔形状、孔径、孔隙率、孔互连性和微拓扑表面特征等物理特性。3D打印与TPMS螺旋结构结合，能够开发更小、更轻、更高效的热交换器可以帮助开发需要更少功率的制冷系统，或者可以开发更有效地实现冷却的高性能发动机。
下面是一个通过3DXpert软件设计的热交换器。案例将演示热交换器的内部流道、表面翅片设计。该热交换器设计中需要用到晶格设计和管路设计，步骤分解中，对晶格相关的内容将进行详细说明。
设计需求是基于原始的设计空间，设计内部换热流道、表面翅片和进出口流道。晶格的设计区域和最终的设计效果如图1所示。
图1 从实体到热交换器设计结果
l 热交换器晶格结构设计
使用3DXpert 隐式建模功能，选择Gyroid（螺旋二十四面体晶体，是一种常见的三周期极小曲面结构）为基础的晶格单元，通过单元大小和厚度设置对应的尺寸参数，基础参数设置界面如图2所示。
图2：Gyroid晶格设置
根据3D科学谷，Gyroid-螺旋是一种多孔轻质结构，是一种三周期最小表面 (TPMS)结构。可以在许多生物膜中找到，陀螺的结构自然设计为具有最小的表面积。热交换器、人体植入物、催化载体、纳米多孔膜、光子晶体和仿生材料是它的一些工程应用。研究人员发现，TMPS 结构的设计是可行的，但在引入 AM-增材制造之前很难制造。
下图左图为标准的Gyroid, 右图为修改后的Gyroid。该案例中使用到的是左图中的Gyroid单胞，基于标准Gyroid数学模型进行了微调。下图左图中可见，保存为HEX- thin1模板，便于之后调用。到此操作完成了内部换热流道的主体设计。
图3 : 晶格设置结果
如图4,仔细观察换热流道的主体结构，底、顶为流道截面，之后需要做流道进出口设计。
下图是在其长度方向上的剖视图，可以看到一条条联通的换热流道。四个侧面中，其中一对相对的面结构完整，形成封闭的外部区域。如图5所示。
图4: 换热流道
图5: 设计结果
四个侧面中的另外一对面结构较为破碎，如图6所示，之后会进行额外封闭处理。将设计区域转化为晶格后，其各个面的特征不一样。接下来是对不同面的处理。两面进行流道设计，侧边破碎面进行封闭，另外一对侧面保持其设计。
图6 : 侧面视图
两端面的流道设计，使用了流道设计功能，通过特征截面进行流道建模，下面的图展示了从单一流道，到多个流道，从单层到多层的设计过程。此过程完成了端面流道的设计，如图7。
图7:流道设计流程
破碎的侧边面封闭采用了直接的拉伸建模，进行封闭。未封闭、拉伸过程、封闭后效果如下展示。
图8:封闭破碎的对面结构
对于封闭后的侧面添加表面网格，可以起到表面加强筋的作用。利用表面网格的功 能，选择需要添加表面网格的区域，设置表面网格线，设置2D蜂窝及其相关形状参数，即可获得表面网格(图8)。修改表面网格参数，可以得到不同的效果，图9的表面网格主要作用是表面加强筋的作用，右图的表面网格可以作为散热翅片。
图9:加强筋设计(网格线表面晶格)
图10:不同网格线设置的效果
l 热交换器流道设计
热交换器的作用主要是利用流体的流动来传递热量，从而达到预期的加热或冷却效果。通常热交换器需要为冷热两种介质分别设计两个流道区域，即冷区流道和热区流 道。为了追求热交换器的高换热效率，必须设法提高冷区和热区交界的界面表面积/ 容积比。
使用Gyroid、Schwarz 等TMPS (三周期极小曲面)特征作为换热壁面的设计越来越多，在设计时需要注意：
- TPMS结构的选择和结构的进一步优化， 在以上晶格设计部分有介绍。图11是创建TPMS结构后，对热冷流道的预览。
图11
- 冷热区域的接口封闭设计。由于TPMS结构设计后，在同一个口，会有热和冷两个流道，如不进行封闭，则无法使用。封闭即指在热流道口将冷流道的通道封闭；在冷流道口将热流道的通道封闭。
图12
- 漏液检测(或封闭性检测) 。用来检测TPMS 结构在进出口或者管壁处是否有缝隙。如下所示，在左侧热进口处提示漏液，说明之前的接口设计有瑕疵，通过参数的调 整，可以得到封闭的效果。
图13 漏液检测
- 热交换体积、表面分析。根据冷热流道体积、面积的统计，可以作为最基础的换热器设计参数。
最终设计热交换器效果如下图所示：
图14:最终换热器设计效果
从设计到仿真3DXpert 一站式解决方案
在设计端，3DXpert软件提供丰富的晶格类型，以覆盖绝大多数为增材制造而设计的（DfAM）应用场景。
但仅仅只有晶格是远远不够的，还需要考虑增材制造的生产特点，设计可行的方案。这当中也包括了可打印性验证。通过3DXpert内嵌的仿真功能，设计师可以自动识别晶格和零件，并针对晶格部分进行独特快捷的晶格仿真。此外，因为3DXpert的软件一体性，非常容易可以给晶格和零件的其他部分区分开来，提供不同的增材制造扫描策略。
Oqton 基于3DXpert软件发布了《增材制造设计手册》，从增材制造零件摆放、设计规则、晶格结构、拓扑优化、管路设计、增材制造生产，六个角度揭示如何在一个软件环境内完成增材制造设计和工艺设置。
如果仍按照传统方法进行增材制造零部件的设计，则无法充分利用增材制造的独特性。这往往会导致增材制造-3D打印失败，无法实现期待的效果。《增材制造设计手册》正为此而生，它将为您揭开设计奥秘，正确运用增材制造的独特之处。对于具有设计挑战的晶格结构而言，《增材制造设计手册》为企业产品开发团队如何实现产品从设计到生产的无缝衔接，提供了参考。
历时 6 个月专家采访和应用研发
50P “增材制造设计”封面选题
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目录
00. 序言
01. 零件摆放
02. 设计规则
03. 晶格结构
04. 拓扑优化
05. 管路设计
06. 生产
零件摆放指的是确定零件在打印时的放置位置和角度。摆放会影响后续的支撑结构生成和打印后处理。有些设计还需要根据摆放进行优化。
对于一些有明显结构特征的零件，像模具或涡壳，调整摆放角度的余地不大。而其他零件，比如支架，需要选择一个合适的摆放角度，既便于设计支撑结构，也要考虑打印过程中与刮刀碰撞的风险。总之，零件摆放对成功打印至关重要，需要充分考虑零件结构特点，综合确定最佳摆放方案。
金属3D打印也有其特定的设计规则需要遵循。前面提到过要考虑零件的角度和摆放方向，这影响打印结果。另外，设计支撑结构也非常关键。设计时不仅要考虑支撑本身，还要全面考虑支撑对零件整体的影响。通过优化结构设计，可以调整支撑的强度，或者减少不必要的支撑。本章将重点解释设计时需要注意的支撑相关规则，以及一些需要优化的特殊结构，以指导设计者进行金属3D打印设计。
晶格结构是一种具有周期排列的多孔结构，由重复的基本单元格组成。它们密度低但强度高，具有优异的力学性能。晶格结构广泛应用于材料科学、建筑、航空航天等领域，因为它们可以在不增加重量的情况下提高刚度和抗冲击性，同时还有良好的抗疲劳和形变恢复能力。由于这些独特优点，特别是增材制造工艺可以在成本、成型可能方面完全量产晶格结构工件，晶格结构被广泛使用在航空航天、汽车、医疗、能源、建筑等许多工程应用中。随着科技进步，晶格结构在实现高性能、轻量化方面的应用潜力还将进一步扩大。
拓扑优化是一种数学优化方法，它根据给定的负载、约束条件和性能指标，优化设计域内的材料分布。它通过在设计域内找到最优的材料布局方式，从而获得最优的结构性能，实现轻量化设计。由于拓扑优化生成的结构形状复杂，使用传统制造方法很难实现，增材制造成型技术的成熟使得拓扑优化设计方法逐渐扩大应用。
3D打印可以自由设计复杂流道，这是其巨大优势。但流道设计还需考虑材料、空间、流道功能等多方面因素。虽然3D打印拓宽了设计自由度，流道设计仍需遵循一定逻辑与约束。要综合评估流道形状、结构参数、打印材料、后处理等各种因素的相互制约关系，优化流道的几何结构，以实现流体功能的最佳匹配。
在熟悉金属3D打印的相关规则后，可以进行零件的优化设计。但是由于打印过程的不可预测性或零件结构的复杂性，可以利用增材制造过程仿真来预测可能出现的风险。仿真结果可以帮助优化支撑设计，进行预变形控制尺寸，或者平衡打印过程中的热量累积。本节通过案例详细阐述设计优化迭代的过程，利用仿真分析指导设计改进。
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