在3D打印技術中，有一種自然結構被越來越多地應用于減輕產(chǎn)品重量，并使輕量級產(chǎn)品更加堅固，這種結構就是陀螺晶格。這種復雜的形狀曾經(jīng)幾乎無法制造，但現(xiàn)在對3D打印機來說已不再是難題，它為產(chǎn)品設計開辟了一片新天地。 

Protolabs使用金屬激光粉末床融合技術構建的鈦合金陀螺晶格（來源：Protolabs）

陀螺形狀可以用多種3D打印技術制作出來，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)勢。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，您會發(fā)現(xiàn)它被廣泛應用于各種3D打印產(chǎn)品中。

陀螺結構是一種復雜的三維幾何圖案，其特點是由錯綜復雜的重復表面網(wǎng)絡組成，在跨越給定邊界的同時最大限度地減少了表面積。從技術上講，它們是一種三重周期性最小表面（TPMS）結構，我們將在下文對此進行深入探討。

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%（來源：Proto3000）

一、什么是陀螺儀？

Desktop Metal的這款陀螺儀結構3D打印扳手與實體工具一樣堅固，但質量和重量減輕了30%

（來源：Desktop Metal）

讓我們進一步分解陀螺。三周期極小曲面意味著你可以在三個方向上創(chuàng)建陀螺儀圖案。在下圖中，陀螺單元的單個晶胞（灰色）可以在x、y和z軸上復制，以構建更大的晶格，例如填充這個熱交換器模型的晶格。

極小表面是指跨越邊界點而不會產(chǎn)生超出絕對需要的表面積的表面。雖然試圖理解這個想法可能會讓你的泡泡破滅，但不用擔心，因為肥皂膜在創(chuàng)造最小表面方面非常出色。想想泡泡棒環(huán)上的肥皂膜吧。

肥皂接觸到邊界（泡泡棒的邊緣）時，不會產(chǎn)生任何額外的表面區(qū)域，如凸起或凹陷。肥皂膜會非常平整。對于形狀不規(guī)則的物體也是如此。雖然這是一個二維類比，但您可以理解為一個由相連表面組成的網(wǎng)絡，在這個網(wǎng)絡中，肥皂膜形成了一個連續(xù)的、相互連接的表面，橫跨魔棒的邊框。

作用中的晶格力學：左圖，3D邊界上的肥皂膜；右圖，二維邊界上的肥皂膜（來源：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)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、熱傳遞等帶來了無數(shù)可能性。

奧克蘭大學創(chuàng)意設計和增材制造實驗室發(fā)現(xiàn)，鞋墊可以采用螺旋晶格結構設計，根據(jù)足部壓力圖自動生成較硬和較軟的區(qū)域，以在需要的地方緩解壓力（來源：奧克蘭大學創(chuàng)意設計和增材制造實驗室）增材制造實驗室）

1、輕量化

瑞士應用科學大學機械工程與材料技術學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塑料肋條相結合，就像蝴蝶翅膀上的肋條一樣。格子是用立體光刻技術（SLA）用管子制成的，他們將碳纖維增強肋條安裝在管子中。通過測試，他們能夠在不增加密度的情況下制造出更堅硬的晶格。他們還研究了棒材厚度和陀螺孔隙率等變量對最終材料的影響。這只是研究輕量化應用中陀螺格子的眾多研究之一。

Restor3d設計和制造個性化植入物，例如這些具有螺旋晶格結構的頸椎融合器

通過具有最大表面積的完全互連結構促進骨骼向內生長（來源：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遇。在骨骼受傷的情況下，醫(yī)生會安裝帶有支架格子的人工骨骼植入物來替代受損部位。這些支架的機械性能非常重要，但多孔性也同樣重要。隨著時間的推移，新組織將長入支架。工程師們面臨的挑戰(zhàn)是，如何設計出具有足夠孔隙率的支架，使組織能夠生長和流體運動，同時又不影響機械性能。

如今，在3D打印人工骨植入物中，使用了各種晶格結構來復制天然骨的多孔性。理想情況下，可以根據(jù)患者的病情、植入物的類型以及所需的機械和生物性能來選擇每種晶格，它們都有各自的設計考慮因素和優(yōu)點。

一項研究發(fā)現(xiàn)，陀螺狀支架的抗壓強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和迪肯大學的研究人員對陀螺狀支架的性能進行了研究。他們的研究通過FDM使用聚乳酸制造陀螺。這項研究只關注材料測試，以及熔融沉積成型（FDM）陀螺是否是骨組織支架的良好選擇，研究結果很有希望。

蘇黎世大學更進一步，在培養(yǎng)皿中測試了陀螺儀在體外和兔子體內的性能。這項研究將三種類型的TPMS與傳統(tǒng)的晶格進行了比較。如果您決定查看他們的研究論文，就會發(fā)現(xiàn)他們將我們一直在討論的陀螺形狀稱為菱形，但為了保持一致，我們在這里還是稱之為陀螺。在測試的各種形狀中，陀螺的剛度和抗壓強度最高，彈性模量與骨骼相當。與其他形狀的支架相比，陀螺形狀支架內的組織量在統(tǒng)計學上有顯著增加。在為期4周的試驗中，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生長，骨與植入物的接觸程度更高。研究得出結論，由于陀螺支架兼顧了機械性能、多孔性和低材料體積，因此在骨組織應用方面大有可為。

Desktop Metal公司Aidro的3D打印熱交換器具有螺旋晶格內部結構，被稱為Toucan Beak（來源：Aidro） 

3、熱交換器

螺旋晶格的獨特形狀，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。格拉斯哥大學的研究人員利用計算機建模研究了兩種TPMS結構與更傳統(tǒng)的印刷電路熱交換器（PCHE）的比較。測試的TPMS結構之一是陀螺儀，另一種是Schwarz-D結構。這兩種TPMS結構的性能都優(yōu)于PCHE基線。這是因為這兩種TPMS結構都有更大的表面積通過傳導進行熱量傳遞，更重要的是，這兩種結構都能在通過熱交換器的氣流中產(chǎn)生更多的湍流，從而通過對流進行更多的熱量傳遞?？傮w而言，陀螺儀和Schwarz-D結構的性能均優(yōu)于基準結構15%-100%，具體取決于流動條件。

雖然這項研究完全是通過計算機模擬完成的，但它為其他研究打開了大門，在這些研究中，可以將使用增材制造技術制造的實際熱交換器與更傳統(tǒng)的熱交換器進行比較。

設計公司Slicelab設計的直排輪輪轂采用螺旋晶格結構，以減輕重量和材料使用（來源：Slicelab）

4、消費產(chǎn)品

在消費品中，不乏重量更輕、用料更少的產(chǎn)品。從體育用品、廚房用具到玩具，所有產(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，陀螺格子在視覺上也很吸引人。

由于將陀螺格子結構應用到消費品上需要使用3D打印技術，因此目前市場上還沒有這方面的實例。但設計公司Slicelab展示了一個很好的例子，說明3D打印陀螺結構可以為直排輪滑鞋等產(chǎn)品帶來什么。

Slicelab的一位創(chuàng)始人在重新開始滑冰之后，受到啟發(fā)，想要創(chuàng)造出與眾不同的、適合他所追求的滑冰類型的產(chǎn)品。他們使用nTop軟件，將標準的實心塑料輪殼換成了陀螺格子輪殼，以實現(xiàn)輕量化。在車輪之間需要較少結構的區(qū)域，一個戰(zhàn)略性的陀螺儀系統(tǒng)與結構開口緊密結合。

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

三、設計陀螺儀晶格的軟件

使用nTop軟件設計換熱器的陀螺晶格結構（來源：nTop）

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

然而，如果您希望晶格設計更加復雜，更多CAD軟件包即將推出，以方便對陀螺晶格進行建模。例如，Siemens NX現(xiàn)在擁有一個隱式建模模塊，面向增材制造領域的工程師。Autodesk Fusion 360很快跟進，通過產(chǎn)品設計擴展提供了體積晶格工具。然而，用于增材制造的高度有機零件設計的首要軟件是nTop，這并不奇怪，因為它也是處理陀螺晶格的絕佳選擇。

生成晶格結構的軟件：

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軟件中將陀螺儀結構應用到零件內部（來源：PTC）

四、如何3D打印陀螺晶格

設計采用激光粉末床融合3D打印技術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劃

（來源：Hyperganic）

快速成型技術為那些希望從陀螺格子中獲益的學術界和工業(yè)界人士帶來了福音。如果您想探索它們，請繼續(xù)閱讀將陀螺晶格融入設計的最佳實踐。

雖然每種3D打印技術都采用逐層打印的方法，但不同的技術對成功構建陀螺格子有不同的要求。

在構建陀螺格子時，有兩個主要問題需要考慮：原材料滯留和支撐結構滯留。

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

（來源：BigRep）

1、填充與格子

對許多人來說，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)勢是填充。在準備打印零件時，切片軟件會為您提供填充選項。這樣，零件的中間部分就不會是一個實心零件，而是一個晶格，從而節(jié)省了重量、材料和制作時間。填充的好處在于，切片軟件會為您制作格子，您只需選擇密度或填充壁厚度等設置即可。

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

填充是FDM和其他擠壓型技術所特有的。關鍵因素是在制造時，零件周圍除了空氣外沒有其他任何東西。對于許多其他類型的添加劑技術來說，制造零件時周圍都是原材料，因此試圖用填充物制造零件意味著零件中充滿了樹脂或粉末。正因為如此，填充物在其他類型的3D打印中并不常用。

對于所有其他3D打印技術，必須由零件設計者在模型中構建陀螺狀或其他形式的晶格。在本文的其余部分，我指的是內置在模型中的晶格，而不是在切片過程中應用的填充物。

2、原材料去除

設計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清理晶格。

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

一些基于粉末的技術，如用于聚合物的選擇性激光燒結（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)零件餅。從機器上取下的成型件是大塊的粉末，有助于在成型過程中支撐零件。這些粉末需要壓縮空氣或壓縮空氣與粉末原料的組合來清除。這些類型的技術在構建內腔時是一個挑戰(zhàn)，因為它們需要直接的視線，壓縮空氣才能完全清除晶格。雖然空氣會在零件內部旋轉和渦流，但不足以使粉末完全脫落。對于SLS或MJF來說，這可能意味著最終零件內部會有松散的粉末，如果晶格看到流體流動，這些粉末就會被打散。對于EBM零件（通常需要在制造后進行熱處理），任何剩余粉末都會凝固并堵塞晶格。

其他類型的粉末打印，如激光粉末床熔融（LPBF），也稱為選擇性激光熔融（SLM），其粉末流動松散，就像沙子一樣。晶格內的殘留粉末問題要小得多。不過，根據(jù)晶格的復雜程度，可能需要進行大量的震動、搖晃和滾動才能確保所有粉末都消失。在Protolabs，我們有一臺特殊的粉末清除機，它可以幫我們完成所有這些工作，在清除復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構沒有問題，但任何深入格子內部的支撐結構都很難拆除，甚至無法拆除。理想情況下，您希望您的陀螺格子完全沒有支撐物。事實上，選擇陀螺儀通常是因為它們本身不需要支撐，但這也取決于您的應用。

從一個角度看陀螺格子，它是一系列螺旋狀的管子。這意味著，您可以根據(jù)所采用的技術，使用最小的無支撐槽直徑。以下是關于在需要使用支撐結構之前，陀螺格子上的"通道"直徑可以有多大的一般指導原則。當您超過這些建議的直徑時，您會發(fā)現(xiàn)朝下的表面會越來越粗糙，直到頂部無法長入。

4、設計陀螺以避免支撐

對于使用SLA和LPBF等支撐的技術，格子的起止方式很重要。當格柵以低角度的懸垂部分為終點時，可能需要支撐。但是，如果格子的終點是邊緣墻壁較為垂直的位置，則無需支撐即可成功建造。

理想情況下，花格應該有墻，以達到最佳效果。如果花格的末端是墻，那么成功搭建的幾率就會高很多。對于獨立的陀螺花格來說，外面的支撐并不是最糟糕的，因為它們很容易接近和拆除。但是，如果花格的末端位于需要支撐的部分內，那么支撐就很難拆除，甚至可能無法拆除。

編譯整理：ALL3DP