技术应用NX晶格结构设计简介与功能应

1.晶格结构介绍

晶格是由节点和梁或支柱组合的网络组成的二维或三维微体系结构，可显著减轻零件重量并保持结构完整性。它们具有独特的特性（变形模式，材料效率等）和美观性。这些晶格结构中的许多结构都受天然晶体结构的启发。而且由于其固有的小特征，过去虽然已经开发出用于制造晶格结构的多种常规制造技术（例如熔模铸造，变形成形和金属线方法）。然而，这些过程依赖于具有精确过程控制的复杂设备，并且需要进一步的组装或结合步骤以产生期望的结构。另外，使用这些过程时，可能的体系结构非常有限。

近年来增材制造（AM）工艺的发展刚好使得工程师能够发挥晶格结构的功能，以增强其产品的性能。晶格结构的结合使工程师可以通过重新考虑其零件的理想性能来探索更多的设计选项。通过晶格技术，可以将晶格参数精确调整到零件上的物理负载，将零件的整体质量减少90％或更多。晶格结构设计的用途如下：

提升机械效益

tianch晶格的好处一直以来都是众所周知的。您可以看到自然界中的晶格（例如骨骼，金属晶体学等）以及现代建筑。以艾菲尔铁塔为例：金属晶格结构具有的高强度/重量比使这项巨大的建筑成就成为可能。同样，在产品设计中，晶格的机械优势（例如，高表面积，出色的减震，冲击保护）使产品设计人员能够克服传统制造的限制，从而创造出新的且性能更高的产品。

良好的强度重量比

通常，有两种方法可以改善给定零件的强度重量比。通过传统制造，可以通过减少非关键区域的材料以优化材料使用来实现。通过网格化，您可以去除零件关键区域中的材料。尽管晶格的确降低了零件的整体强度，但减轻重量可以改善这种强度重量比。

高表面积

晶格不仅重量轻，而且可以释放大量的表面积，这对于促进热交换和化学反应的产品而言是一个关键优势。考虑服务器和数据中心的计算器中使用的热交换器。通常，处理器的性能受产生的热量限制。目标是从芯片上去除热量并将其散发到大气中，通常是借助风扇。该系统的整体效率与散热器（将热量从芯片带走的金属片）上的表面积大小有关。晶格可以显著增加可用的表面积，或者通过避免复杂的加工程序来更经济地产生该表面积。实际上，这种效率增益可以在许多不同类型的热交换器应用中实现，在这些应用中，如果不进行增材制造，很难或几乎不可能创建具有大表面积的小特征。

出色的减震和冲击保护

晶格还可以通过更好地吸收冲击能量来帮助保护产品免于跌落或碰撞。晶格可以集成到产品（例如橄榄球头盔）中以减少冲击应力，也可以用作牺牲特性以保护产品的关键组件。例如，可以在电子组件周围或内部使用晶格，以保护其免受动态事件（如太常见的意外跌落）的影响。

理想的振动和噪音衰减

增材制造的晶格还为工程师提供了一种消除机械噪声（例如振动）的新方法，这种噪声可能会使用户感到不舒服，甚至降低机器性能。晶格由于其低刚度以及承受和恢复大应变的能力而有效地减轻了振动。例如，晶格可以集成到重型设备的隔离垫中，以减少进入制造系统的能量。晶格的可调性使工程师可以优化设计以匹配其特定应用。

图1多种晶格结构设计应用之产品

2.遵循DFAM原理释放晶格的潜力

增材制造确实可以带来许多新产品机会，但是在3D打印功能晶格之前您需要确认一些设计因素。在这里可以进行面向增材制造（DFAM）设计。DFAM帮助设计工程师确保其打印零件符合设计意图。

晶胞结构

晶胞是晶格中的重复单元，最常见的晶胞结构包括立方、星形、八边形、六边形、菱形和四面体等。可以调整甚至混合晶胞结构以获得所需的系统响应，但您的选择会有影响。一些结构更有效（较高的刚度/重量比），另一些则更好地阻尼能量，而另一些在美学上更令人愉悦。需要权衡优势和劣势，以便为您的设计做出正确的选择。

晶胞大小和密度

晶胞大小和密度是指单个单位晶格的大小以及在一个空间中重复多少个单元。晶胞大小本身取决于其成员和连接节点的厚度和长度。较大的晶胞可以更容易打印，刚性也比较高。同样，较小的晶胞可实现更均匀的系统响应，但受特征尺寸限制。

材料选择

您选择的材料可以定义可能的晶格属性。弹性或软材料，通常需要较小且密集的晶胞群以减少打印过程中的溃散。用更刚性的材料打印的晶格通常允许具有更薄构件和更大单元尺寸的更大设计范围。

单元方向

晶胞打印的角度会影响打印的成功与否，因为它会影响所需支撑物的数量和位置。精心挑选和定向的晶格是自支撑的，不需要单独的支撑。通常可以使用旋转结构以减少支撑。考虑一个大型的立方桁架，如果直接打印在构建平台上，则水平构件将不受支撑。但是，如果仅将结构旋转45度，则这些构件现在将自支撑。

晶格的重复细胞打开了无数尺寸，形状和性能属性的大门。晶格固有的复杂性使它们几乎不可能用增材制造以外的任何其他方式来制造。增材制造技术所具有的独特功能使其非常适合于制造具有晶格结构的零件。它提供了新的机会，可以自动灵活地制造形状和结构复杂的零件，而这些零件和结构是常规制造工艺无法生产的，从而实现了前所未有的设计灵活性和应用机会。

图2晶格结构特征条件

3.晶格结构的设计方法

从结构设计的角度来看，晶格结构可以通过遵循特定空间模式的晶胞重复生成。因此，晶格结构的设计包括晶胞设计和图案设计。

3.1晶胞设计

晶胞是组成并表达整个晶格结构的最小元素。可以使用以下方法进行设计。

基于单元的方法

基于单元的方法是一种简单的方式，其中晶胞由一些几何单元组成，依赖于简单几何单元的布尔运算。如下图所示，使用一个立方体作为基本对象，并使用一个同心球作为修减体，通过布尔减法（a）创建了立方晶胞（b）。或者通过采用四个对角线定向圆柱体与立方体的布尔相交（c）来创建桁架状晶胞（d）。

图3基于單元的方法的示意图

基于隐式表面的方法

基于隐式表面的方法也是晶胞设计中的有效方法，其中晶胞的表面由数学方程式定义此方法使用隐式方程式表示3D空间中晶胞的表面。公式F（??，??，??）=0定义了一组三个坐标的函数，这确定了位于表面上的点的数组。如图标出了单位单元架构及其对应的等式。

图4使用基于隐式表面的方法生成的晶胞

晶胞的孔隙率是指晶胞中孔的体积比例，其显著影响整体机械性能。当使用基于像素的方法创建晶胞时，孔隙率与像素的尺寸相关，因此调整起来很不方便。相反，通过基于隐式表面的方法实现的突出灵活性使得可以通过在方程式中指定不同的项来参数化控制孔隙率。例如，如下图所示，通过改变等式的系数a和常数项b，可以容易地改变晶胞的孔隙率和形状。这种灵活性对于单位单元的数值设计和算法集成具有吸引力。

图5方程式中不同项的几何形状变化

拓扑优化方法

拓扑优化使用数学算法来实现最佳的材料分布，在预定义的载荷条件和给定的设计空间内通过拓扑优化计算获得单元的几何形状或生成密度可变的网格结构。而晶格结构将孔引入到实体中以实现材料的有效利用。因此，拓扑优化方法用于单位单元设计中，以实现单位单元规模的最佳性能。

图6基于拓扑优化的方法的可变密度结构设计

3.2排列设计

排列设计是指在3D空间中重复单元格的方式。可以使用以下方式：

直接排列

从晶胞创建晶格结构，在该排列中，单元晶格被平移地重复；为了方便起见，在大多数情况下，单位晶格可以设计为立方元素。然后，可以通过在三个维度（沿x轴，y轴和z轴）上重复单位晶格来直接生成晶格结构。该方法在图中示出，下图展示了通过在每个坐标轴上平移重复两次单位晶胞而由2×2×2个单位晶胞组成的晶格结构。

图7考虑孔隙率梯度的直接排列晶格结构

随形排列

晶胞被重复以符合给定的表面几何形状；随形排列能够引导晶胞的数量符合设计空间的形状。下图显示了圆顶晶格结构。随形图案保留了单位晶格的完整性，而不是使用其他布尔运算进行直接排列，这被认为是加强或增强所需结构的更好方法，因为它可以将载荷均匀地分布在整个结构中。

图8直接排列与随形排列

拓扑优化排列

拓扑优化方法可用于单元晶胞生成和排列设计，不仅可以用于优化单个单元晶胞中的材料分布，还可以在整个设计空间中组织单位单元的空间复制。由于可以通过控制其孔隙率分布而实现晶格结构中的材料分布，因此研究人员已将拓扑优化与晶格结构排列设计集成在一起，以实现最佳性能。

图9基于密度信息的晶格结构

4.NX晶格结构设计

晶格设计是一个复杂的计算，选择零件的一部分来填充晶格结构并非易事，需要了解每个实例，定义操作条件并选择最佳方法，这是工程设计领域的一个高度形成性领域，并且正在接受大量研究和实施分析。因此，尽管您可能意识到有可能节省重量或具有在零件中启用特殊功能的能力，但在过去我们仍然无法深入其中。为达到此目的，NX在11.2版本中首次引入晶格设计工具，使您可以轻松地开始设计这些晶格形式。本质上，NX的晶格设计工具允许您选择零件的一部分（无论是空隙还是几何体），然后用晶格填充该空间。NX与比利时的增材制造专业领导者（Materialise）开发了这些工具，因此该技术有高度的可信赖度。

工作流程是这样的。从您要填充的空隙开始（由面选择驱动），然后选择晶格样式。选项可以是单位排列或随形排列。单位排列会创建简单明了的晶格结构。它会以您选择的单元晶格类型均匀填充您的空间。随形排列格可以让您选择空隙的外部边界，然后选择一个表面来引导晶格的创建。如果看下图，您会发现两者之间的区别。

图10规则(UnitCell)排列随型(Conformal)排列随机(Stochastic)排列

接下来，您需要定义单元格样式。晶格使用在整个设计空间中重复的单个单元格来创建这种复杂的形式。大约有15个选项可用。您对晶格单元形式的选择取决于您要实现的目标，然后，您可以使用单个单元格定义晶格的起点。默认情况下，它位于您要填充的空隙的质量的质心。然后，您可定义尺寸，包括要求单元的大小以及连接的梁（晶格杆）的大小。然后NX将计算晶胞单元的重复次数以填补您定义的填充对象。

还有其他选项可帮助修剪网格，以便与零件中的常规实体建立良好的连接。然后将其创建为一个收敛的实体，该实体表示您的网格位置。这里有一些要注意的要点。晶格可以是非常复杂的形式，并且几乎不可能用传统的CAD几何来表示它们，所以基于网格几何的晶格形式是唯一的方法。最后所得结果在NX中称之为收敛体。这意味着您可以对其应用后续操作（也许添加更多详细结构）。

图11NX晶格结构设计的工作过程

5.NX晶格结构设计细部功能介绍

5.1NX晶格填充类型

规则单元填充(UnitFill)-在选取的边界实体范围内对晶格单元进行阵列和定位。

图12规则单元晶格填充

随形单元(UnitConformal)-沿选取的面对晶格单元进行阵列。可以基于选取的面偏置晶格，从而创建多层晶格。

图13随形单元晶格填充

曲面(Surface)–基于选取的面，对其进行网格划分，将网格边用作晶格的单元杆，从而完成晶格的设计。

图14沿曲面进行晶格填充

四面体填充(TetrahedronFill)-对选取的边界实体进行四面体网格划分，将网格边用作晶格的单元杆，从而完成晶格的设计。

图15基于四面体网格进行晶格填充

5.2使用晶格单元编辑器创建自定义晶格

用户可以按点定义或利用现有曲线创建并保存自定义的晶格单元，可以从头开始或通过编辑现有结构，并能够从命令中预览图样化结构，因此用户将可利用内部知识和专业知识，设计出适合产品要求的晶格结构，例如：强度，耐久性，能量吸收，声学，流体流动…等。

图16自定义晶格

5.3晶格预览和对齐参数

对于随形单元(UnitConformal)排列，系统提供四种参数对齐方式：

自动对齐-由表面对象的UV方向决定方位。

图17自动对齐

定向对齐-按指定的两点确定网格方位。

图18定向对齐

轮廓对齐-按指定的四点确定网格形状和方位。

图19轮廓对齐

柱面对齐-指定分割曲线来对齐封闭的柱面、锥面、自由曲面的网格。

图20柱面对齐

5.4晶格填充的随机填充

针对单位填充和正形单位，该选项可以确定晶格填充是随机的或者是按晶格种子单元的方位进行有序的数组

图21随机填充

注意：Octapeak，Octahedroid两种晶格单元不支持随机填充选项

5.5过滤晶格杆命令

某些晶格杆在结构上不合适或不能有效打印，因此系统提供后处理来过滤晶格杆，根据角度，长度，悬空条件要求过滤并删除晶格杆。

图22晶格杆过滤

5.6连接晶格结构命令

透过后处理操作将两个或更多个晶格结构组合成单个结构，并增加晶格杆来连接晶格结构，用户将通过定义节点之间的最大检查距离和每个节点的杆数来进行连接，从而提供从多个输入创建统一结构的有效方法，例如，将表面单元和随形填充晶格连接在一起。

图23连接晶格结构

?5.7CAE集成

晶格网格

当晶格结构存在于增材制造零件中，客户想透过CAE仿真其结构应力，使用3DCAD晶格创建实体FE网格是不实际的，因此，NX与Simcenter3D结合，使用3DCAD晶格存储的元数据用于自动构建FE梁网格并创建新的物理属性，并且连接到周围的实体网格是通过1D连接的扩展来处理的(1DMeshtoFace)，这样的方式可以提升晶格分析和验证速度10倍，用数字化验证增材制造之前的晶格性能。

图24晶格网格

Simcenter3D和SimcenterNastran选择晶格类型

晶格PenaltyLaw使用户可以选择晶格的类型。这将选择一个PenaltyLaw曲线，绘制独特的标准化弹性与相对密度关系。

图25选取晶格类型

区分实心和晶格区域

提供用户直接在实体与晶格混合的NX收敛模型中创建网格(Mesh)，透过晶格预测后产生的结果会区分不同的网格，实体网格元素(3D)为绿色，晶格网格元素(1D)为橙色。

图26区分实心和晶格区域

6.总结

晶格结构具有许多优于固体材料和常规结构的特性，它能够将多个功能集成到一个物理部件中，这使其对广泛的应用具有吸引力。由于具有许多优越的性能，这使其成为各种应用的有前途的解决方案。增材制造可以打印具有复杂内部晶格结构的对象，以实现功能，美学，结构和制造方面的考虑。

针对晶格结构设计，西门子将其所需功能融入到其提供的NX软件，帮助用户快速设计出需要的晶格结构，并直接应用于后续的产品性能分析和3D打印之中，既提高了效率，也促进了产品创新。