增材制造结构优化设计与工艺仿真 课件 模块3 NX 点阵晶格结构优化

增材制造结构优化设计与工艺仿真新编21世纪高等职业教育精品教材·装备制造类PART01模块一NX结构优化设计基础PART02模块二NX拓扑优化结构设计工程案例PART03模块三NX点阵晶格结构优化设计工程案例PART04模块四NX运动仿真与优化设计工程案例PART05模块五NX激光粉末床熔融工艺仿真工程案例目录CONTENTSPART03模块三NX点阵晶格结构优化设计工程案例任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计学习目标（1）了解金属增材制造技术在航空航天领域的应用现状。（2）理解航空叶轮轻量化的概念与意义。（3）掌握航空叶轮的基础建模方法。（4）掌握点阵晶格结构的设计流程与生成方法。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计一、情境导入某航空企业研发新产品，计划采用金属增材制造工艺完成轻量化航空压缩机叶轮的设计与制造。叶轮基础模型设计好以后，交由校企合作的增材制造技术应用工作站完成拓扑优化结构设计，并进行强度校核与形变检验。航空叶轮实物如图3-1-1所示。航空叶轮轻量化设计模型效果如图3-1-2所示。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计二、明确任务任务工单见表3-1-1。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计请结合上述任务工单，完成下列任务：（1）通过查阅资料，了解航空叶轮的应用场景。（2）通过小组分析讨论，了解航空叶轮的结构特点和材料特性。（3）结合网络图片和教材提供的图纸，小组讨论如何进行建模，写出建模思路和主要建模命令。（4）按照最佳模型构建思路和方法，各小组完成航空叶轮的基础建模。（5）对叶轮模型进行内部点阵晶格结构的轻量化设计。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计三、知识链接（一）点阵晶格结构的概念从增材制造的角度来说，点阵晶格结构不是描述原子排列的微观模型，而是一种由微小重复单元（如小立方体、小金字塔结构）拼搭成的多孔结构，就像将无数根细吸管按一定规律粘在一起，形成重量轻、强度大的立体网格，如图3-1-3所示。它是增材制造技术“能做复杂结构”这一优势的核心应用。例如，打印一个轻量化塑料座椅靠背，它不是实心的，而是由无数个小正四面体拼出来的。表面看是完整的靠背，但内部全是规律排布的小孔。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计（二）晶格的主要类型晶格的构建均以晶胞为核心重复单元，这个单元不仅是体现晶格对称性与周期性的最小结构单元，还能通过在三维空间中按固定规律平移、复制，最终延展形成完整、有序的晶格整体。（1）平面晶格。这种晶格由二维的单位晶胞排列而成，最常见的是蜂窝状结构，通过复排列或堆叠扩展到三维空间，如图3-1-4所示。（2）三维均匀/周期性晶格。这种晶格由三维的单位晶胞组成，这些晶胞可以填充整个三维空间而不留空隙，如图3-1-5所示。常见的三维晶胞包括立方体、四面体、八面体、菱形十二面体等。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计（3）支柱晶格（桁架晶格）。这种晶格由一系列相互连接的杆件（支柱）组成（如图3-1-6），这些杆件可以以不同的方式连接，如顶点连接、边缘连接、面连接或多点连接。这种结构在轻量化设计，以及建筑和生物医学工程中常见，可以在保持结构完整性的同时减少材料的使用。（4）三重周期性极小曲面（TPMS）晶格。这种晶格在三个维度上都呈周期性变化，并且在指定的体积约束下具有极小的面积，如图3-1-7所示。这些表面通常通过复杂的数学方程来描述，难以用传统的计算机辅助设计（CAD）工具直接生成。通过在不同方向上随机改变参数，这些类型的晶格也可以从周期性晶格变为随机晶格。另外，通过在特定方向上赋予结构相似的特性（使其各向同性），制造出的产品可在某些应用中更具优势。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计（三）基于点阵晶格结构进行轻量化设计的优势（1）防滑：通过点阵晶格结构产生的纹理可以起到很好的防滑作用。（2）降噪：声波和点阵晶格结构的壁面反复碰撞可实现降噪。（3）仿生：点阵晶格设计模式便于模拟自然界动植物的结构。（4）减震：点阵晶格结构在减弱冲击方面效果明显，有助于整个结构的能量分配。（5）吸能：点阵晶格结构可以吸收更多的能量，从而保护结构的重要部分。如图3-1-8所示为3D打印冰球头盔，通过对每个撑杆的厚度进行精确调整，使晶格护垫可以吸收和分散来自各方向的冲击能量。（6）散热：点阵晶格结构在体积不变的情况下，可以实现表面积最大化设计，从而为散热、隔热提供性能保证。如图3-1-9所示，尽管所占空间相同，右侧晶格体的表面积比左侧的圆柱大了4倍，重量却轻了4倍。（7）提升强度：点阵晶格结构可以实现优异的强度重量比性能，即用更少的材料实现更高的强度要求。（8）骨融合（细胞生长）：点阵晶格结构的多孔性可以使人体细胞组织更好地与晶格融合，有助于细胞附着生长。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计（四）点阵晶格结构的局限性点阵晶格结构凭借其规则性、可预测性和优异的基础性能，在制造领域应用广泛，但受限于自身结构特性、制造工艺和应用场景需求，其局限性也很明显。在制造复杂非平面点阵晶格结构时，需综合考量3D打印的特点，包括经济性、生产耗时、打印尺寸限制与材料选择范围，并与传统加工方式对比评估后再做决策，而非盲目采用3D打印晶格设计方案。当涉及大型点阵晶格结构时，应力模拟（尤其是采用有限元方法的应力模拟）的计算量往往极大，对计算资源与效率构成挑战。晶胞类型是晶格结构的核心特征之一，但目前可供工程师与设计师选择的晶胞类型较为有限。此外，晶格结构的设计与应用属于高度专业化的技术领域，存在一定的技术门槛，对使用者的专业能力要求较高。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计（五）点阵晶格结构的典型应用1.汽车领域如图3-1-10所示为方程式赛车的冷却板，该冷却板比以前的设计轻25%，表面积增加300%。2.医疗领域如图3-1-11所示为脊柱植入物，采用了可促进骨骼生长的晶格结构，主要用于手术中治疗退行性脊柱疾病。该晶格设计的核心作用是减弱植入物自身刚度，使受力更多地传递到脊柱本体，进而减少植入物周围骨骼出现萎缩的情况。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计3.运动装备如图3-1-12所示，这款自行车座椅采用晶格设计软件DesignEngine进行设计，通过优化的晶格结构将坐骨压力降低约26%。该座椅的晶格结构包含约22200个支柱与10700个节点，且所有结构单元均经过单独调整，以此实现支撑性能与乘坐舒适度的合理平衡。4.生活消费品如图3-1-13所示为一款3D打印晶格结构的跑鞋，制作材料为树脂，跑鞋鞋底应用了晶格结构。鞋跟与前脚掌部位的晶格不仅形状完全不同，密度也存在显著差异；整个鞋底的晶格结构密度呈连续变化状态，这种差异化且渐变的结构设计能够为足部提供充分的缓冲力。5.电子领域如图3-1-14所示为3D打印的复杂电极几何体。加州理工学院的研究人员利用DLP3D打印技术制造出了复杂的聚合物结构，可通过热后处理转化为电极材料。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计6.工业装备如图3-1-15所示为利用晶格结构设计的散热器，采用了仿生学设计理念，参考人类肺部的结构，实现高效的热交换。该散热器可用于900℃二氧化碳的流动优化，是复杂晶格结构与金属3D打印相结合并实现卓越性能的典型案例。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计四、计划决策（一）学习内容分析1.完成零件图纸分析（如图3-1-16）（1）整体分析。本产品为航空用压缩机上的叶轮，该叶轮形体尺寸中等，叶片呈放射状分布，内部晶格结构可以减重并减小转动惯量，相较于传统减材加工工艺，增材制造工艺更适合这种复杂结构的制造。晶格结构可通过NX软件设计，保持壁厚4mm即可。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计（2）尺寸分析。该零件最大成形尺寸为200mm，最薄壁厚为2mm。轴孔等精加工部位采用减材加工工艺完成，因此打印时相应部位要留有0.3mm的精加工余量。高度方向上，要在大端面部位留有0.5mm以上的精加工余量。直径方向上，即零件外围尺寸保留增材制造自然成形精度即可。（3）表面质量与后处理。本制件要进行去应力退火和普通喷砂处理，线切割取件后从大端面钻出粉孔清粉。最后进行强化热处理及相关的抛光处理。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计五、任务实施（一）设计方案本产品为航空用压缩机上的叶轮，三维建模的第一阶段是叶轮基体的构建，可分为两步：一是绘制倒锥形的叶轮基座，二是绘制呈放射状分布的曲面叶片。第二阶段是对叶轮基体进行轻量化结构优化设计，即在内部填充点阵晶格结构。建模流程可参考图3-1-17。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计（二）叶轮基础模型构建1.绘制叶轮基座（1）绘制草图截面，如图3-1-18所示。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计（2）旋转实体，如图3-1-19所示。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计2.绘制叶轮叶片（1）绘制曲线维度实体（如图3-1-20）：通过拉伸偏置命令实现，然后圆形阵列15个。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计（2）绘制轮廓横截面维度实体（如图3-1-21）：通过旋转命令实现。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计（3）交运算，如图3-1-22所示。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计（三）叶轮点阵晶格结构优化设计1.旋转减实体将要填充晶格的实体区域掏空，如图3-1-23所示。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计2.旋转填充实体将掏空的区域用独立实体填满，如图3-1-24所示。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计3.晶格填充实体在“增材制造设计”菜单中单击“晶格”，打开“晶格”对话框，选择“单位填充”，“晶格类型”选择“Dodecahedron”，“边长”取10mm，“杆径”取1mm，“细分因子”取0.5。单击填充实体，系统便可自动完成晶格填充，如图3-1-25所示。任务一航空叶轮的点阵晶格结构优化设计4.最终填充效果（如图3-1-26）任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计学习目标（1）了解镂空纪念笔的结构及附件组成。（2）了解NX点阵晶格结构设计的相关命令。（3）会分析镂空纪念笔套件的复杂模型设计思路。（4）掌握镂空纪念笔套件的基本模型设计方法。（5）掌握镂空纪念笔套件的点阵晶格结构优化设计方法。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计一、情境导入某礼品经销商发现金属3D打印的礼品受到市场热捧，于是请工业外观设计师设计了一款镂空纪念笔模型及笔架，但该设计师对金属增材制造工艺并不了解，更不会进行点阵晶格优化。经销商找到校企合作的增材制造技术应用工作站对该纪念笔模型进行全面的点阵晶格优化设计。最终模型效果如图3-2-1所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计二、明确任务任务工单见表3-2-1。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计请结合上述任务工单，完成下列任务：（1）通过客户提供的资料，了解镂空纪念笔的结构及附件组成。（2）熟悉构建NX点阵晶格的相关命令。（3）结合任务图纸，小组讨论如何进行建模，写出建模思路和主要建模命令。（4）按照最佳模型构建思路和方法建模，并完成点阵晶格优化设计。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计三、知识链接（一）NX软件点阵晶格默认晶胞类型晶胞是晶格的最小重复单元，具有具体的几何参数。在NX软件中，晶胞可通过晶格编辑命令定义，用于生成基本晶格结构，并可通过平移、复制形成完整晶格。用户可以在NX软件中选择不同的晶胞类型，如图3-2-2所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（二）“晶格”命令组西门子NX软件在11.0版本以后增加了“增材制造设计”模块，其中的“晶格”命令组的功能非常丰富，主要用于创建轻量化结构体，特别适用于增材制造和有限元分析场景。可将“晶格”看作某种设计特征，与“拉伸”、“圆柱”和“凸台”等特征元素并列。在NX软件建模主菜单的白色区域右击，即可勾选显示“增材制造设计”模块，该模块下的“晶格”命令组包含各种晶格构建命令，如图3-2-3所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（三）“晶格”命令晶格创建方式见表3-2-2。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计1.单位填充式构建点阵晶格结构（1）以随机实体为例，该实体单位在点阵晶格填充前的状态如图3-2-4所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（2）该实体被点阵晶格填充后的状态预览如图3-2-5所示，注意对话框中的参数设置注意：可根据实际情况选择“晶格类型”，设置合适的“边长”以确保晶胞尺寸，“杆径”取1mm，“球”选“无”，边界修剪默认不勾选。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计2.正形单位式构建点阵晶格结构（1）以随机实体为例，该实体曲面在点阵晶格填充前的状态如图3-2-7所示。该实体被填充后的最终点阵晶格结构效果如图3-2-6所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（2）该实体曲面被选中，点阵晶格填充后的状态预览如图3-2-8所示，注意对话框中的参数设置。注意：可根据实际情况选择“晶格类型”，选择合适的“边长”以确保晶胞尺寸，“图层”取3以产生三层晶格，“偏置”表示第一层晶格与曲面的距离，默认为0，“杆径”取1mm，“球”选“无”，“细分因子”取0.5，边界修剪默认不勾选。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（3）多个曲面被同时选中时，曲面产生的点阵晶格会自动链接，其状态预览如图3-2-9所示，注意对话框中的参数设置。注意：可根据实际情况同时选中两个曲面，然后选择合适的“晶格类型”，选择合适的“边长”以确保晶胞尺寸，“图层”取2以产生两层晶格，“偏置”表示第一层晶格与曲面的距离为4mm，“杆径”取1mm，“球”选“无”，“细分因子”取0.5，边界修剪默认不勾选。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计3.曲面式构建点阵网格结构（1）以随机实体为例，该实体曲面在点阵网格填充前的状态如图3-2-10所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（2）该实体曲面被选中，点阵网格填充后的状态预览如图3-2-11所示，注意对话框中的参数设置。注意：可根据实际情况同时选中两个曲面，“基本网格”选择“使用现有的”，系统会将选择的曲面三角面片化，根据三角面片边缘形成网格。选择合适的“小平面大小-最大杆长度”以限制最大网格尺寸；“杆径”取1mm，“球”选“无”，“细分因子”取0.5，边界修剪默认不勾选。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（3）实体曲面被选中后，可通过更改“基本网格-源”的选项获得新的点阵网格填充效果，状态预览如图3-2-12所示，注意对话框中的参数设置。注意：同时选中两个曲面，更改“基本网格-源”的选项，这里选择“重新划分三角形网格”，系统会将选择的曲面重新进行三角面片化，尽量按照等边三角形去划分网格，网格“模式”选“恒定”，“平均大小”取10mm；“锐边”选“无锁定”；“杆径”取1mm，“球”选“无”，“细分因子”取0.5。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（4）最终取得的曲面式点阵网格结构效果如图3-2-13所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（四）“体晶格”命令体晶格表示该晶格的单位晶格体（晶胞）是通过选择另一个体（独立的体）来定义的。即先选择要应用晶格的边界体，再选择一个独立体定义为“晶胞”，系统就会在指定方位的X、Y、Z方向上将“晶胞”阵列，并将体晶格修剪至实体边界，如图3-2-14所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计1.以自身为单位晶格的体晶格填充（1）以随机实体为例，该实体在体晶格阵列填充前的状态如图3-2-15所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（2）选择该实体作为边界体，种子方位默认，如图3-2-16所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（3）再次选择该实体作为单位晶格（晶胞），也可以理解为要阵列的种子，如图3-2-17所示。注意：要阵列的晶胞就是刚选择的独立体（这里属于特殊情况，独立体既是边界体，又是晶胞“种子”）。可以将种子大小设为“均匀立方体”，也可以分别设置X、Y、Z方向的边长。单击“种子放置”下的“指定方位”，坐标系被激活，可以调整角度或位置。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（4）以实体自身作为点阵晶胞阵列后的效果如图3-2-18所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计2.以任意体为单位晶格的体晶格填充（1）以随机实体为例，该实体在体晶格阵列填充前的状态如图3-2-19所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（2）以立方体作为边界体，以锥台体作为单位晶格进行体晶格操作，如图3-2-20所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（3）体晶格填充效果如图3-2-21所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（五）晶格编辑类命令1.过滤晶格“过滤晶格”命令用于根据过滤设置从晶格中移除“不良”杆。“过滤晶格”按钮如图3-2-22所示，移除条件见表3-2-3。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计2.连接晶格“连接晶格”命令用于在靠近的顶点之间自动添加杆来连接两个晶格体，如图3-2-23所示。“连接晶格”按钮如图3-2-24所示，“连接晶格”对话框如图3-2-25所示。注意：“最大检查距离”用于指定要连接的晶格体之间的最大距离，“每个顶点的杆数”用于指定每个顶点允许产生的最多的杆数。“杆尺寸-可变”指的是在晶格节点之间创建锥杆作为新连接。起始和终止直径由要连接的节点的杆尺寸决定，如图3-2-26所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计3.杆粗细“杆粗细”命令用于更改现有晶格体的杆的粗细。“杆粗细”按钮如图3-2-27所示，“杆粗细”对话框如图3-2-28所示。4.剪切晶格“剪切晶格”命令用于剪切所选剪切边缘内部或外部的晶格体，也可以剪切其他类型体或图形，如图3-2-29所示。“剪切晶格”按钮如图3-2-30所示，“剪切晶格”对话框如图3-2-31所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计3.杆粗细“杆粗细”命令用于更改现有晶格体的杆的粗细。“杆粗细”按钮如图3-2-27所示，“杆粗细”对话框如图3-2-28所示。4.剪切晶格“剪切晶格”命令用于剪切所选剪切边缘内部或外部的晶格体，也可以剪切其他类型体或图形，如图3-2-29所示。“剪切晶格”按钮如图3-2-30所示，“剪切晶格”对话框如图3-2-31所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计5.单位晶格编辑器单位晶格编辑器用于为用户定义的晶格结构创建或编辑基本单元格，即进行晶胞设计。可以通过点或现有曲线创建单元格，如图3-2-32所示。如果将设计好的单位晶格另存为*.xml或*.x_t文件，在创建单位填充或正形单位晶格体时便可直接使用，如图3-2-33所示。“单位晶格编辑器”对话框如图3-2-34所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计四、计划决策（一）学习内容分析1.完成零件图纸分析（如图3-2-35）（1）整体分析。本产品为镂空纪念笔及笔架套件，采用316不锈钢金属粉末进行SLM工艺打印。镂空纪念笔由笔尖、笔杆、笔帽、笔环四部分组成。笔架的设计可以让笔横放，也可以竖插。笔架总体采用中国风设计风格，中间是扇面镂空，两个半圆支柱也采用镂空设计，笔筒镶嵌在半圆支柱上，美观实用。（2）尺寸分析。镂空纪念笔直径为11mm，总长度117.5mm，镂空晶格杆直径为1mm。笔架底座总体尺寸120mm×60mm，高度15mm；半圆支柱的半径30mm，厚度6mm；笔筒直径14.2mm，壁厚1mm，与笔架形成分体结构。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计四、计划决策（一）学习内容分析1.完成零件图纸分析（如图3-2-35）（1）整体分析。本产品为镂空纪念笔及笔架套件，采用316不锈钢金属粉末进行SLM工艺打印。镂空纪念笔由笔尖、笔杆、笔帽、笔环四部分组成。笔架的设计可以让笔横放，也可以竖插。笔架总体采用中国风设计风格，中间是扇面镂空，两个半圆支柱也采用镂空设计，笔筒镶嵌在半圆支柱上，美观实用。（2）尺寸分析。镂空纪念笔直径为11mm，总长度117.5mm，镂空晶格杆直径为1mm。笔架底座总体尺寸120mm×60mm，高度15mm；半圆支柱的半径30mm，厚度6mm；笔筒直径14.2mm，壁厚1mm，与笔架形成分体结构。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计五、任务实施（一）设计方案本产品为镂空纪念笔套件，客户已经提供了所有基础模型。我们重点研究的是镂空纪念笔的笔杆与笔帽，以及笔架半圆支柱与扇形镂空的点阵晶格结构优化。建模流程可参考图3-2-36、图3-2-37。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（二）镂空纪念笔的点阵晶格结构优化1.笔杆的点阵晶格结构优化（1）笔杆管体尺寸的调节。1）通过测量分析笔杆尺寸，如图3-2-38所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计2）因为晶格生成后，笔杆直径会加大一个晶格杆径，所以偏置收缩一个晶格杆半径0.4mm，如图3-2-39所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计3）因为晶格生成后，笔杆长度也会增加一个晶格杆径，所以在两端各缩减0.4mm，如图3-2-40所示。（2）进行笔杆的曲面晶格填充，相关参数设置如图3-2-41所示。（3）因为笔杆两端实体直径没变，影响美观，所以进行偏置收缩，如图3-2-42所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（4）对生成晶格的曲面进行隐藏，最终结构优化效果如图3-2-43所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计2.笔帽的点阵晶格结构优化（1）笔帽管体尺寸的调节。1）通过测量分析笔帽尺寸，如图3-2-44所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计2）因为晶格生成后，笔帽直径会加大一个晶格杆径，所以偏置收缩一个晶格杆半径0.4mm，如图3-2-45所示。3）因为晶格生成后，笔帽长度也会增加一个晶格杆径，所以在两端各缩减0.4mm，如图3-2-46所示。（2）进行笔帽的曲面晶格填充，相关参数设置如图3-2-47所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（3）因为笔帽两端实体直径没变，影响美观，所以进行偏置收缩，如图3-2-48所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（4）对生成晶格的曲面进行隐藏，最终结构优化效果如图3-2-49所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（三）笔架的点阵晶格结构优化1.半圆支柱的点阵晶格结构优化（1）放大两个支柱孔。因为孔内晶格生成后，支柱孔直径会缩小一个晶格杆径，所以偏置放大一个晶格杆半径0.4mm，如图3-2-50所示。（2）支柱表面生成晶格，包括孔面、侧面、圆角面等部位。1）生成孔面晶格，如图3-2-51所示。2）生成侧面晶格，如图3-2-52所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（三）笔架的点阵晶格结构优化1.半圆支柱的点阵晶格结构优化（1）放大两个支柱孔。因为孔内晶格生成后，支柱孔直径会缩小一个晶格杆径，所以偏置放大一个晶格杆半径0.4mm，如图3-2-50所示。（2）支柱表面生成晶格，包括孔面、侧面、圆角面等部位。1）生成孔面晶格，如图3-2-51所示。2）生成侧面晶格，如图3-2-52所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（三）笔架的点阵晶格结构优化1.半圆支柱的点阵晶格结构优化（1）放大两个支柱孔。因为孔内晶格生成后，支柱孔直径会缩小一个晶格杆径，所以偏置放大一个晶格杆半径0.4mm，如图3-2-50所示。（2）支柱表面生成晶格，包括孔面、侧面、圆角面等部位。1）生成孔面晶格，如图3-2-51所示。2）生成侧面晶格，如图3-2-52所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计3）生成圆角面晶格，如图3-2-53所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（3）生成半圆支柱的体积单元填充晶格，如图3-2-54所示，注意相关参数的设置。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（4）过滤晶格。隐藏支柱实体，对实体晶格进行“过滤晶格”操作，过滤零碎的晶格悬杆，确保美观实用，如图3-2-55所示。注意相关参数的设置。（5）连接晶格。选取两组晶格，执行“连接晶格”命令，系统会按照参数设置自动生成连接杆，确保晶格整体强度。1）选取“支柱体晶格”与“孔面晶格”，两者自动产生补充连接，通过“每个顶点的杆数”调节连接杆的数量，如图3-2-56所示。2）选取“圆角面晶格”与“孔面晶格”，两者自动产生补充连接，通过“每个顶点的杆数”调节连接杆的数量，如图3-2-57所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（4）过滤晶格。隐藏支柱实体，对实体晶格进行“过滤晶格”操作，过滤零碎的晶格悬杆，确保美观实用，如图3-2-55所示。注意相关参数的设置。（5）连接晶格。选取两组晶格，执行“连接晶格”命令，系统会按照参数设置自动生成连接杆，确保晶格整体强度。1）选取“支柱体晶格”与“孔面晶格”，两者自动产生补充连接，通过“每个顶点的杆数”调节连接杆的数量，如图3-2-56所示。2）选取“圆角面晶格”与“孔面晶格”，两者自动产生补充连接，通过“每个顶点的杆数”调节连接杆的数量，如图3-2-57所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（4）过滤晶格。隐藏支柱实体，对实体晶格进行“过滤晶格”操作，过滤零碎的晶格悬杆，确保美观实用，如图3-2-55所示。注意相关参数的设置。（5）连接晶格。选取两组晶格，执行“连接晶格”命令，系统会按照参数设置自动生成连接杆，确保晶格整体强度。1）选取“支柱体晶格”与“孔面晶格”，两者自动产生补充连接，通过“每个顶点的杆数”调节连接杆的数量，如图3-2-56所示。2）选取“圆角面晶格”与“孔面晶格”，两者自动产生补充连接，通过“每个顶点的杆数”调节连接杆的数量，如图3-2-57所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计3）选取“圆角面晶格”与“支柱体晶格”，两者自动产生补充连接，通过“每个顶点的杆数”调节连接杆的数量，如图3-2-58所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计2.扇形孔盖的点阵晶格结构优化（1）需要在底座扇形孔添加一个镂空网盖，提升美观度，因此要按照扇形轮廓做一个曲面或实体面。这里做一个任意拉伸体填充扇形孔，如图3-2-59所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（2）以扇形拉伸体的上表面为基础，构建一个曲面晶格。注意参数“基本网格-源”选择“重新划分三角形网”，“平均大小”取10mm，如图3-2-60所示。任务二镂空纪念笔的点阵晶格结构优化设计（3）显示之前隐藏的笔筒实体，最终模型优化效果如图3-2-61所示。任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计学习目标（1）了解当前增材制造技术在医疗领域的应用现状。（2）了解多孔型椎间融合器的医疗领域应用背景。（3）掌握椎间融合器的基础建模设计方法。（4）掌握椎间融合器的点阵晶格结构优化建模设计方法。任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计一、情境导入2025年，我国某医院成功完成一例颈椎间盘髓核切除术+C5椎体部分切除术+颈椎前路椎管减压术+脊髓神经根探查术+3D打印多孔型椎间融合器置入术。患者术后肢体肌力明显改善，疼痛和麻木缓解。术后影像学检查显示：减压充分，椎间融合器位置良好。该多孔型椎间融合器采用金属3D打印解决方案加工制造，如图3-3-1所示，是获得三类医疗器械许可证的选区激光熔融技术骨科植入假体产品。任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计二、明确任务（1）通过查阅资料，了解多孔型椎间融合器的应用场景，以及相关技术在我国的发展和应用。（2）了解传统医疗椎体植入物的类型和特点，了解基于3D打印晶格阵列的多孔式优化结构在相关医疗领域的独特价值。（3）结合任务图纸，小组讨论如何仿制多孔型椎间融合器模型，写出建模思路和主要建模命令（晶格构建命令）。（4）按照最佳模型构建思路和方法，各小组完成基础建模。三、知识链接（一）个性化骨科植入技术的发展状况医学治疗的个性化是当代医学发展的方向之一。个性化骨科植入物可保证几何形态的完美匹配，理论上可以保证良好的初始稳定性，还可以改善骨生长情况，延长假体寿命。目前国内外已经广泛开展3D打印个性化接骨板、个性化人工关节假体等方面的临床应用研究。随着金属增材制造技术的发展，国内外对SLM成型不锈钢、钛合金、CoCrMo合金的工艺做了大量研究，髋臼杯、椎间融合器等产品得以批量投入使用。任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计（二）个性化多孔植入体的一般建模流程对于个性化多孔植入体，可通过调节参数来调整网格线的疏密程度，达到改变孔隙度、平均孔径和表面积体积比的目的，以适应不同部位不同植入体的要求。如图3-3-2所示。具体到医学应用中，CT扫描产生的DI数据经过计算机处理后得到三维数据，再根据临床需要，借助CAD软件对三维图像进行修改，获得最终打印模型的标准格式数据（STL)，切片处理完成后即可将数据传输至3D打机打印。总之，可以根据需要选择不同类型的3D打印技术进行三维物理模型及术中模板的打印。任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计（三）3D打印技术在医疗领域的典型应用（1）生物细胞。科研人员正在研究通过尖端3D打印技术制造具有复杂功能的人体器官，如皮肤、心脏、肾脏、肝脏等。这些打印出来的器官可以用到药物测试、器官移植等领域，为医药研发、人体治疗带来全新解决方案。（2）定制化植入物。3D打印技术允许根据患者的特定解剖结构定制植入物，如髋关节、膝盖、脊椎植入物等。这些个性化植入物可以更好地满足患者的需求，提高手术成功率，提升患者的舒适度。（3）手术模型和导板。医生可根据患者的CT或MRI扫描数据，通过3D打印技术打印病变部位的模型。这些模型具有多色彩、软硬结合、高透明度、高清晰度等优点，可以更好地用于术前规划和模拟。医生还可以根据病人的身体数据3D打印手术导板，以便在手术过程中进行精确定位，提高手术的安全性和成功率。（4）齿科应用。3D打印技术在齿科领域的主要应用包括可摘局部义齿金属支架、全瓷修复体、金属修复体、修复体蜡型、颌面赝复体以及全口义齿的定制化制造。目前，矫正牙套的制作是3D打印产业最具规模化的应用之一。此外，医生还可以打印牙齿模型，协助诊断和治规划。3D打印金属义齿如图3-3-3所示。任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计（5）医疗器械。3D打印技术可用于制造各种医疗器械，如手术工具、支架、夹具、医用设备零部件等，可根据特定的研发需求、医疗需求进行定制。（6）医学教育和培训。3D打印的人体组织器官模型可用于医学教育和培训，帮助学生更好地了解复杂的人体解剖结构和外科技术。这些应用案例充分说明了3D打印技术在医疗领域具有很高的实用价值。任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计（四）点阵晶格结构设计的要素金属增材制造中，点阵晶格结构的主要设计思路是通过改变失效形式、缓解局部应力集中以及偏转/破碎宏观剪切带，达到调控点阵晶格结构力学性能的目的。单胞结构、相对密度、单胞尺寸、支柱建造和服役角度是影响点阵晶格结构力学性能的主要因素，设计时需要特别注意。1.单胞结构单胞结构是指点阵晶格结构基础单元的几何形状。根据不同的载荷条件和功能需求，设计形状合适的单元以达到理想的力学性能并满足需求是点阵晶格结构研究的主要内容。单胞结构的设计方法包括晶体结构类比法、有限元优化点阵、仿生点阵、梯度点阵，以及对经典点阵的局部优化点阵等。2.相对密度相对密度是指点阵晶格结构实际密度与材料理论密度的比值。由于外部载荷仅作用于材料，空隙/孔隙无法抵抗外力，因此降低孔隙率（即提高相对密度）通常可使由相同材料制成的点阵晶格结构具有更高的力学性能。需要注意的是，这会导致用料增加，需要掌握平衡。3.单胞尺寸单胞尺寸是指点阵晶格结构中每个单元格的线性尺寸。研究表明，对于不同尺寸Ti6Al4V金刚石点阵试样的压缩性能，较小的单胞尺寸可以使应力分布更加均匀，有助于提高整体点阵性能。但是较小的支柱直径对制备缺陷比较敏感，因此单胞尺寸减小到临界值时反而会导致强度下降。总之，较小的单胞尺寸能缓解点阵晶格结构的局部应力集中效应，同时随着单胞尺寸的减小，结构的表面积体积比增加，点阵断裂带的扩展需要消耗更多的能量。任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计4.支柱建造和服役角度不同的建造角度会导致点阵晶格结构呈现不同的表面粗糙度、表面裂纹和孔洞缺陷；点阵晶格结构在不同加载方向上会产生不同的应力应变分布，从而表现出明显的各向异性。对于激光粉末床工艺不同方向下点阵支柱的制备质量和性能响应的研究表明，在一定范围内，水平支柱无须支撑也可以顺利制备，垂直支柱打印质量高于水平支柱。同时，激光偏移量对支柱尺寸有明显影响，进而影响点阵支柱的实际相对密度和结构的整体性能。如图3-3-4所示，点阵支柱的制造状态不同，支柱直径和疲劳性能均不相同。另外，点阵支柱的服役角度对其力学性能也有明显的影响。通过研究Ti6Al4V八面体点阵晶格结构服役位向对相对密度和力学性能的影响，人们发现当服役位向为43°时，点阵晶格结构在OZ和XY方向上的力学性能最佳；当服役位向为10°时，建造方向的能量吸收能力最大，证明了通过改变点阵单胞的位姿可以不同程度地提高点阵晶格结构的性能。任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计四、计划决策（一）学习内容分析1.完成零件图纸分析请结合椎间融合器产品的功能示意图（如图3-3-5）和零件图纸（如图3-3-6）完成零件图的分析。任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计（1）整体分析。本产品为骨科治疗过程中使用的椎间融合器的仿制模型。其整体呈管状，管壁上多为各种镂空结构；中间段有各种孔，便于手术夹持及减重；两端是利于骨肉生长的晶格结构，是增材制造结构优化的主体，体现了增材制造技术的价值。（2）尺寸分析。该零件最大成形尺寸为43mm，最大直径不超过25mm，最薄壁厚为1.5mm。由于存在各种尺寸和类型的孔结构，增材打印难度较高，需要充分考虑摆放及支撑问题。任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计五、任务实施（一）设计方案本产品为椎间融合器的仿制模型。三维建模的第一阶段是基础模型构建，第二阶段是对椎间融合器进行拓扑优化结构设计，具体包括拉伸填充、曲面填充、连接晶格等。建模流程可参考图3-3-7。任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计（二）椎间融合器基础模型构建1.筒形拉伸（1）绘制截面草图，如图3-3-8所示。（2）双向拉伸筒形实体，如图3-3-9所示。2.三角镂空（1）选择竖直平面或中间坐标系的竖直平面作为绘制草图平面，如图3-3-10所示。1）绘制上、下定位框，如图3-3-11所示。2）绘制一对三角形，如图3-3-12所示。3）使用移动命令进行点对点复制移动，如图3-3-13所示。4）完成草图绘制，如图3-3-14所示。（2）贯穿减拉伸产生镂空，如图3-3-15所示。任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计（二）椎间融合器基础模型构建1.筒形拉伸（1）绘制截面草图，如图3-3-8所示。（2）双向拉伸筒形实体，如图3-3-9所示。2.三角镂空（1）选择竖直平面或中间坐标系的竖直平面作为绘制草图平面，如图3-3-10所示。1）绘制上、下定位框，如图3-3-11所示。2）绘制一对三角形，如图3-3-12所示。3）使用移动命令进行点对点复制移动，如图3-3-13所示。4）完成草图绘制，如图3-3-14所示。（2）贯穿减拉伸产生镂空，如图3-3-15所示。任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计（二）椎间融合器基础模型构建1.筒形拉伸（1）绘制截面草图，如图3-3-8所示。（2）双向拉伸筒形实体，如图3-3-9所示。2.三角镂空（1）选择竖直平面或中间坐标系的竖直平面作为绘制草图平面，如图3-3-10所示。1）绘制上、下定位框，如图3-3-11所示。2）绘制一对三角形，如图3-3-12所示。3）使用移动命令进行点对点复制移动，如图3-3-13所示。4）完成草图绘制，如图3-3-14所示。（2）贯穿减拉伸产生镂空，如图3-3-15所示。任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计（二）椎间融合器基础模型构建1.筒形拉伸（1）绘制截面草图，如图3-3-8所示。（2）双向拉伸筒形实体，如图3-3-9所示。2.三角镂空（1）选择竖直平面或中间坐标系的竖直平面作为绘制草图平面，如图3-3-10所示。1）绘制上、下定位框，如图3-3-11所示。2）绘制一对三角形，如图3-3-12所示。3）使用移动命令进行点对点复制移动，如图3-3-13所示。4）完成草图绘制，如图3-3-14所示。（2）贯穿减拉伸产生镂空，如图3-3-15所示。任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计（二）椎间融合器基础模型构建1.筒形拉伸（1）绘制截面草图，如图3-3-8所示。（2）双向拉伸筒形实体，如图3-3-9所示。2.三角镂空（1）选择竖直平面或中间坐标系的竖直平面作为绘制草图平面，如图3-3-10所示。1）绘制上、下定位框，如图3-3-11所示。2）绘制一对三角形，如图3-3-12所示。3）使用移动命令进行点对点复制移动，如图3-3-13所示。4）完成草图绘制，如图3-3-14所示。（2）贯穿减拉伸产生镂空，如图3-3-15所示。任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计（二）椎间融合器基础模型构建1.筒形拉伸（1）绘制截面草图，如图3-3-8所示。（2）双向拉伸筒形实体，如图3-3-9所示。2.三角镂空（1）选择竖直平面或中间坐标系的竖直平面作为绘制草图平面，如图3-3-10所示。1）绘制上、下定位框，如图3-3-11所示。2）绘制一对三角形，如图3-3-12所示。3）使用移动命令进行点对点复制移动，如图3-3-13所示。4）完成草图绘制，如图3-3-14所示。（2）贯穿减拉伸产生镂空，如图3-3-15所示。任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计（二）椎间融合器基础模型构建1.筒形拉伸（1）绘制截面草图，如图3-3-8所示。（2）双向拉伸筒形实体，如图3-3-9所示。2.三角镂空（1）选择竖直平面或中间坐标系的竖直平面作为绘制草图平面，如图3-3-10所示。1）绘制上、下定位框，如图3-3-11所示。2）绘制一对三角形，如图3-3-12所示。3）使用移动命令进行点对点复制移动，如图3-3-13所示。4）完成草图绘制，如图3-3-14所示。（2）贯穿减拉伸产生镂空，如图3-3-15所示。任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计（二）椎间融合器基础模型构建1.筒形拉伸（1）绘制截面草图，如图3-3-8所示。（2）双向拉伸筒形实体，如图3-3-9所示。2.三角镂空（1）选择竖直平面或中间坐标系的竖直平面作为绘制草图平面，如图3-3-10所示。1）绘制上、下定位框，如图3-3-11所示。2）绘制一对三角形，如图3-3-12所示。3）使用移动命令进行点对点复制移动，如图3-3-13所示。4）完成草图绘制，如图3-3-14所示。（2）贯穿减拉伸产生镂空，如图3-3-15所示。任务三椎间融合器多孔点阵晶格结构优化设计3.