增材设计基础

设计3D打印点阵结构：轻量化功能件完整指南

点阵用重复的单元网络替代零件低应力芯部的实体材料，让刚度和载荷路径留在需要的位置，同时快速降低质量。本指南说明单元几何、支柱尺寸和载荷方向如何相互作用，以及点阵何时有益、何时有害。

单元类型对比支柱尺寸限制载荷路径规则打印与机加工

本页内容

本文内容

原理

点阵是由细支柱承载、替代实体材料的重复单元网络。外蒙皮仍承受弯曲和扭转；点阵填充应力较低的芯部。芯部材料主要增加质量而非刚度，因此去除它代价很小。

力学行为来自单元，而不只是材料。弯曲主导型单元（如简单立方）使每根支柱受弯，刚度大致随支柱直径的四次方增长。拉伸主导型单元（如八面体桁架）沿支柱轴向拉压，刚度增长更接近平方关系。同一合金，结果差异很大。

这就是为什么质量相同的两个零件刚度可相差三倍。单元拓扑决定上限，材料和打印参数只让你沿该曲线移动。

从载荷路径开始。如果无法沿支柱画出从施力点到反作用点的连线，点阵很可能放错了位置。

单元选择

根据主导载荷选择单元，而不是看目录图片。单轴压缩适合拉伸主导型单元。多轴弯曲适合弯曲主导型单元，它能平缓变形而不是脆断。

八面体桁架等拉伸主导型单元单位质量刚度最高，但能量吸收差，呈脆性失效。体心立方和金刚石单元则以弯曲为主，在较低刚度下吸收更多冲击能量。

用于换热或声学用途时，比表面积比刚度更重要。Gyroid 或 Schwartz 原始曲面提供无死角的连续流道，使压降可预测。

混合方案很常见：安装凸台附近用致密的拉伸主导型单元，中部用开放的弯曲主导型单元。失效往往始于过渡区，因此应在该处让单元重叠，而不是直接对接。

几何限制

支柱必须能打印出来，而不只是存在于 CAD 中。金属粉末床熔融可做到 0.2 mm 支柱，但可靠零件的实际下限更接近 0.4 mm。低于此值，激光会部分熔化支柱，产生检验可能漏掉的孔隙。

SLA 和 DLP 等树脂工艺能稳定做到 0.3 至 0.5 mm 支柱，因为没有粉末需要清除。FDM 较粗：低于约 0.8 mm 时，挤出的料条比喷嘴还细，支柱会直接断开。

长径比与直径同样重要。支柱长度超过直径约 8 倍时，会在屈服前发生压缩屈曲。缩短单元或加粗支柱，直到该比值降下来。

节点是第二个限制。六根或更多支柱交汇时，热量积聚、节点膨胀。可在每个节点建一个小球，或接受膨胀并围绕它设计单元。

摆放与支撑

打印后每个点阵都是各向异性的。粉末床熔融留下垂直于构建方向的层线，横跨层线受载的支柱比沿层线受载的更早失效。旋转零件，使最大拉伸载荷位于构建平面内。

支撑去除是隐性成本。间隙 0.5 mm 的点阵会困住粉末和支撑，工具无法触及。内部通道至少保持 1 mm 开放，或设计点阵使其无需进入即可排空和清洁。

残留粉末在医疗和航空航天件中是真实风险。如果点阵被封在蒙皮内，就无法验证内部。留出排空路径，或采用检验可看穿的开放单元。

当点阵无法清洁或验证时，通常机加工带加强筋的型腔更便宜。五轴加工的型腔配 0.8 mm 壁厚加强筋，刚度可预测且检验完全可达。

检测

不要相信把点阵当作实体的仿真。均匀化模型平均了单元属性，忽略节点应力，而多数点阵失效正始于节点。至少在关键区域显式建模一排单元。

试样测试比争论更快。用相同单元、相同方向打印一小块并压溃。测得的模量就是你的设计数值，通常与目录值不同。

量产时，光学检测可确认外层支柱直径。内部单元需要 CT 扫描，耗时费钱。设计点阵时让关键支柱可达，就能省下这笔费用。

在零件上保留一个机加工基准。晶格表面太粗糙，三坐标测量机测针无法测量，因此从实体凸台标注零件尺寸，让晶格在其包络内浮动。

流程

按顺序执行这些步骤；跳过第1步是零件又重又弱的最常见原因。

选型表

按主导载荷和可打印性选择，不要看外观。