在3D打印應用領域，點陣結構被應用于多種場合，包括提高熱交換器和散熱器的熱交換效率，提高阻尼材料的抗震緩沖能力，優化骨科植入物的生物學和力學性能，降低航空航天零件的重量等等。小點陣，大作用，點陣成為學習3D打印的MUST。市場上將開孔金屬材料的設計稱為設計材料-Designed Materials。

       根據西門子，激光粉末床熔化金屬3D打印(PBF‑LB)技術為制造開孔鎳基超級合金提供了新方式，這種技術制成的開孔金屬（也稱為設計材料-Designed Materials）為高溫應用提供了有吸引力的性能。本期谷.專欄將結合西門子的《Designed Materials for high-temperature applications》討論設計材料與其他開孔金屬相比的一些優勢以及可能的用例。

金屬點陣晶格結構制造技術

© 3D科學谷白皮書

 DM-設計材料與3D打印

      在3D打印應用領域，點陣結構被應用于多種場合，包括提高熱交換器和散熱器的熱交換效率，提高阻尼材料的抗震緩沖能力，優化骨科植入物的生物學和力學性能，降低航空航天零件的重量等等。小點陣，大作用，點陣成為學習3D打印的MUST。市場上將開孔金屬材料稱為設計材料-Designed Materials。

       根據西門子，激光粉末床熔化金屬3D打印(PBF‑LB)技術為制造開孔鎳基超級合金提供了新方式，這種技術制成的開孔金屬（也稱為設計材料-Designed Materials）為高溫應用提供了有吸引力的性能。本文將結合西門子的《Designed Materials for high-temperature applications》討論設計材料與其他開孔金屬相比的一些優勢以及可能的用例。

       設計材料的優勢: 設計材料最顯著的方面是它們易于調整的形態。這可以通過改變應用的工藝參數來實現。這也提供了精確調整機械和功能特性的選項。與其他3D打印開孔結構（如晶格結構）相比，設計材料的優勢是它們在可制造形狀方面的自由度。通過3D打印-增材制造來制造設計材料的優勢是構建率要高得多，因此速度更快。這意味設計材料屬性的精確可調節性意味著它們可以被修改以表現出不同的物理行為：例如，可以調整流速和機械性能，從而為每種應用生成最佳設計材料。

金屬點陣晶格結構創造顯示了具有沿Z軸流動方向的組件

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顯示了蒸發冷卻高溫應用，其流動方向平行于構建層

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顯示了使用設計材料密封熱氣體并防止它們離開指定流動通道的組件設計，密封翅片切入設計材料，用作耐磨材料，連接到定子部件的多孔結構密封了旋轉密封翅片的間隙。

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這些用例主要存在于燃氣輪機的渦輪和壓縮機部分，但它們也可以應用于蒸汽輪機，用于轉子和定子的軸向密封。因此，DM-設計材料可以被視為替代傳統連接的蜂窩密封或噴涂層的方法。

DM-設計材料還可以用于阻尼應用，可以解決不同類型的振蕩，例如機械或聲學振動。根據3D科學谷的了解，設計材料可以用于運動器械制造中的3D打印應用，核心邏輯是獲得一種產品性能提升的新方式，包括：舒適度的提升，防護性能的提升，以及通過調整產品不同區域3D打印點陣的設計，來實現多功能、多性能的集成，從而實現產品的創新。不僅如此，體育品牌推出的極具顛覆性的3D打印產品，還為品牌帶來了增值。

例如2022年北京冬奧會中，大連理工大學研發的滑雪頭盔運用了航天薄壁結構設計科技，技術則來源于程耿東院士指導、王博教授牽頭的科研團隊十幾年的研究積累。此前，他們曾利用這項技術為我國體積最大的大火箭——長征五號運載火箭“胖五”成功減重1145公斤。

在這款頭盔的設計研發中，科研團隊運用了曲線加筋變剛度的設計技術，大幅提升了頭盔的抗沖擊變形能力，為運動員提供更高的安全防護級別。

顯示了用于對高頻振蕩阻尼的組件

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設計材料還有多種其他用途。開放孔隙率可以用作塊體之間的粘合層。在熱交換器和過濾器中的應用也是可能的。

根據3D科學谷，傳統的熱交換器包括大量的流體通道，每個流體通道都是使用板，條，箔，鰭，歧管等的某種組合形成的。這些部件中的每一個都必須單獨定位，定向并連接到支撐結構，例如，通過釬焊，焊接或其他連接方法。這種熱交換器的組裝相關的制造時間和成本非常高，并且由于形成的接頭數量，流體通道之間或從熱交換器泄漏的可能性通常增加。而這種制造極限也限制了熱交換流體通道及其中包括的熱交換特征的數量、尺寸和構造。然而，3D打印為熱交換器的制造另辟蹊徑，減少了焊接需要，增加了熱交換表面積，優化了壓降。

3D打印熱交換器

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此外，設計材料的密度降低是輕量化設計的理想選擇。

 設計材料如何表征

根據3D科學谷，泡沫點陣結構的性能具有很高的設計靈活性。通過調整點陣的相對密度、單胞的構型、連桿的尺寸，達到結構的強度、剛度、韌性、耐久性、靜力學性能、動力學性能的完美平衡。點陣結構比強度和比剛度高，在低密度結構中有較大的力學性能優勢。與傳統的固體材料相比，金屬點陣材料的密度大大降低，具有相同性能的點陣結構可以減重達70%以上。與金屬泡沫材料相比，金屬點陣結構性能上可控制，強度和模量比金屬泡沫材料高出一個量級，承載效率更高。

設計材料的表征方法與潛在的參數設置一樣多樣。根據3D科學谷，在產品質量認證范疇中，有兩個容易混淆的概念-資格（QUALIFICATION）與認證（CERTIFICATION），而實際上兩者是有區別的。資格是生產認證產品的基礎，就增材制造而言，意味著整個增材制造工藝流程（包括系統/平臺，工藝和材料）都需要經過一定程度的鑒定，才能生產出符合標準、設計規格和最終用途性能指標的認證零件。

形態學測試和機械測試

µCT掃描可以生成對設計材料形態的廣泛概述。例如，µCT提供有關孔徑、支柱直徑和表面比的信息。其他屬性也可以從體積數據中導出。然而，經驗表明，手動測量相對密度也是有益的；這使得 µCT 數據校準更加穩健。

功能測試（比形態和機械性能更重要）

功能測試是獲得設計材料的功能屬性。根據應用類型，這些功能測試可以是滲透性和熱傳遞等特性。

最大的挑戰往往是在驗證和測試階段，包括如何確保所有的粉末都已從通道中清除，并且所有的壁都已在內部完美地創建。當前有許多無損測試技術，例如用于檢查粉末的共振測試或用于檢查結構完整性的 CT 掃描。然而，CT 掃描可能是一個昂貴的過程。此外，如果采用 Inconel 等致密材料生產換熱器，甚至不可能深入表面幾厘米以檢查部件的完整性。

當然消除各種缺陷的挑戰依賴人類的經驗并非是最好的解決方式，在走向批量生產的質量認證道路上，加工中設備產生大量的數據，這些數據為人工智能提取深度的理解提供了天然的基礎，圍繞著幾何和材料特性和加工參數，這些加工中的挑戰將會被人工智能所解決。

對于應用了設計材料（Designed Materials)熱交換器的3D打印，3D科學谷了解到物理測試通常包括以下內容：

- 壓力和泄漏測試，其中零件要經受規定的標準壓力；

- 量熱測試，目的是確定性能特征，例如散熱和壓降；

- 通過耐久性測試、壓力脈動、熱循環、沖擊和振動，研究耐久性并獲得更 多的統計置信度。

 更自動化的設計材料

根據3D科學谷，隨機多孔結構（稱為泡沫）涉及具有隨機形狀和不同尺寸分布的孔，盡管它們的孔隙分布是隨機的，但可以通過計算機建模和數學算法為 AM-增材制造工藝來設計隨機結構。

根據3D科學谷的市場觀察，目前點陣結構的設計走向智能化設計的方向，點陣結構填充輕量化設計所需要實現的零件復雜性已經超過了傳統的CAD軟件的原有功能。對設計進行修改的時候，例如僅在節點，橫梁和連接體之間應用圓角或倒圓角所涉及的工作量在使用傳統軟件工具的時候往往變得“浩瀚無邊”。這種低附加值的工作會延緩工程流程，抑制真正的創新，并扼殺企業保持競爭優勢的能力。

ACAM亞琛增材制造中心，3D打印-增材制造可以在不同材料分布的幫助下根據負載和其他要求調整局部密度。此外，借助定制的數字材料，可以優化組件的重量、成本和生產時間。增材制造 (AM) 作為一項突破性的生產技術，由于其幾何自由度和免模具生產，成為可以高效生產數字材料的工藝。

當通過點陣技術減輕零件重量時，從DfAM（增材思維）角度看，在點陣晶格和外蒙皮之間建立牢固的連接非常重要（以防止分層）。傳統的3D建模過程首先需要選擇所有交叉點，然后才能嘗試在所有位置創建回合。軟件工程師知道這會帶來非常痛苦的工作量，更不用說當新的圓角值根本無法重建時，重建錯誤的加劇會帶來沮喪的情緒。

隨著設計軟件的發展，一切都在發生改變…

點陣建模軟件

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例如，nTopology的nTop平臺自動化蓬勃發展的建模系統，使得工程師可以快速評估新設計。通過利用先進的設計控制，可以自動執行圓角操作，在幾秒鐘內可靠地微調模型，并繼續將注意力放在如何快速確定最佳產品設計，并且更快地設計創新零件。

例如，為了推動數字材料在工業應用中的非凡潛力，亞琛工業大學數字增材生產 DAP 學院專注于開發用于生成智能數字材料的創新及高效算法。開發的解決方案側重點是在未來生成數字材料時可以自動集成生產和應用相關的條件，從而使得設計更輕松更智能化。

根據3D科學谷的了解，在材料的智能化數字化方面，亞琛工業大學數字增材生產 DAP 學院目前的主要開發重點在以下領域：

• 考慮制造限制（例如臨界懸角或最小可實現特征尺寸）的點陣晶格結構生成算法
• 基于負載和邊界條件的自適應網格結構生成
• 共形晶格結構生成
• 局部或全局晶格結構的細化算法
• 拓撲優化算法

此外，在不同的設計方法中，TPMS 為三重周期性最小表面（TPMS），對于結構應用而言，TPMS設計顯示出高強度重量比，與增材制造技術結合使用，使得設計師能夠創建兼具高強度和散熱特性的多功能結構。

根據3D科學谷的市場研究，由于高的表面積體積比，基于TPMS的晶格需要大量三角形才能準確表示，這提供了一個很好的示例，說明了傳統工藝流程無法正常工作的情況。但是，應注意，許多晶格結構都有隱式表示方案，通過隱式建模，可以實現復雜的幾何圖形高效建模，沒有任何與STL相關的表示；通過直接切片，可以直接從隱式幾何圖形生成激光路徑，而無需任何與STL網格相關的中間步驟。然后，可以顯著減少存儲器和時間消耗。

TPMS

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