在过去的几十年中，3D打印-增材制造技术已经取代了传统的点阵晶格结构生产方法，然而，3D打印技术仍需要更多的发展，才能使点阵结构在轻质承重结构中得到应用。3D科学谷将结合《Influence of geometrical notches and form optimization on the mechanical properties of additively manufactured lattice structures》这篇论文，本期谷.专栏将深入了解几何缺口和形状优化对3D打印-增材制造点阵结构力学性能的促进作用。

相关研究发表在Materials&Design上

多孔的轻量化潜力

几乎在自然界的任何地方都可以找到各种类型和形式的多孔和细胞结构。3D科学谷曾在《3D打印多材料、多尺度和多功能仿生多孔结构》一系列专栏文章中分析过来自大自然灵感的各种设计组合。由于其有利的特定机械性能，多孔结构的轻量化潜力已被认为是设计承重结构最有前途的工程特征之一。

© 3D科学谷白皮书

随着最近的发展，3D打印-增材制造释放了设计的自由度，能够在不同尺度上模仿自然的结构。在中观尺度上，与多孔结构相比，点阵晶格结构通过拓扑优化提供了特定机械性能的定制，因此注定适用于增材制造技术。

在过去的几年里，研究集中在点阵晶格结构的轻量化潜力上。包括点阵结构已被确定为轻量化工业用途最有希望的特征之一。最近的研究集中在点阵晶格结构的可靠制造上，因为如果工艺参数并非最佳，会导致对晶格结构的机械行为产生不利影响的缺陷。这包括局部纹理、孔隙率和几何偏差，例如支柱直径变化，包括表面粗糙度、支柱波纹或晶格连接中心的偏移。

因此，提高点阵结构的承载能力，最大限度地挖掘点阵结构的轻量化潜力，显得尤为重要。目前的主要挑战在于3D打印-增材制造的晶格结构的结构完整性，这阻碍了其轻量化潜力的开发。虽然最近的研究集中在工艺参数对晶格结构力学行为的影响，但较少关注由结构设计引起的尖锐边缘产生的几何缺口。

尽管点阵看起来很简单，但点阵晶格结构的手动建模是耗时的，并且对于诸如单位胞元之间的过渡等详细特征容易出错。目前已经开发了特定的数学方法来解决这个问题，特别是关于分级结构。

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《Influence of geometrical notches and form optimization on the mechanical properties of additively manufactured lattice structures》这篇论文分析了桁架晶格结构中几何诱导的凹槽的影响。如今，市场上有专门用于创建点阵晶格结构的软件，具有自己的格库和编码的开源软件是当前研究的重点。

拿点阵结构建模来举例，点阵填充轻量化设计所需要实现的零件复杂性已经超过了传统的CAD软件的原有功能。对设计进行修改的时候，例如仅在节点，横梁和连接体之间应用圆角或倒圆角所涉及的工作量在使用传统软件工具的时候往往变得“浩瀚无边”。这种低附加值的工作会延缓工程流程，抑制真正的创新，并扼杀组织保持竞争优势的能力。

3D科学谷《建模更自动化，深度了解隐式建模引擎正在改变3D打印行业》一文，软件工程师知道设计进行修改会带来非常痛苦的工作量，更不用说当新的圆角值根本无法重建时，重建错误的加剧会带来沮丧的情绪。在这方面，例如，通过nTopology的nTop平台的高级计算方法，可以通过输入圆角值（包括较大的圆角值），消除了对模型故障的担心。根据3D科学谷的了解，隐式建模带来了以前无法实现的精细细节。可变厚度偏移，自动消除干扰，渐变的材料特性和位移映射纹理等。

避免缺陷的算法

避免设计缺口是一项形式优化任务，为了避免在桁架设计中出现这些缺口，可以通过圆角半径方法 (FRM)等方法提供通用解决方案。该方法可以为从业者和研究人员提供特定于点阵晶格结构的直接指导，以便在不需要任何特定背景知识的情况下快速设计坚固的轻质结构。

圆角半径法 (FRM)

该方法包括在与支柱边缘相切的晶胞上实施完善的圆角半径，以避免出现缺口。

晶格结构中的圆角半径法 (FRM) 示例

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袖珍计算器法 (PCM)

PCM方法的原理在于通过优化轴的横截面积，通过局部标称应力发出的切向力来补偿造成缺口应力的侧向力。

袖珍计算器法 (PCM) 应用于在单轴拉伸载荷下具有旋转对称性的阶梯杆 (a) 和拉伸三角形法 (TTM) 应用于具有 3 个拉伸三角形的矩形槽口 (b)。

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拉伸三角法 (TTM)

这种方法的灵感来自自然界中观察到的形状，例如树或骨头，旨在减少计算机辅助形状优化的计算时间，并产生与 PCM 相当的形状。零件的尖角依次用等腰三角形桥接，直到平滑过渡位置达到。对于三个三角形，实现了质量增加和应力减少之间的最佳平衡。

进一步的研究包括这些方法在不同载荷情况下的性能（如拉伸、剪切或弯曲）会更有意义。另一个潜在的研究开发领域是将这些方法系统地集成到 CAD 建模软件中。在结构更复杂的情况下，晶格结构的机械性能（例如抗疲劳或能量吸收）的改善可能会大大增加这些已经很有前途的蜂窝结构的轻量化潜力。

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