Voronoi晶格镂空轻量化结构件

　　这类Voronoi晶格镂空结构，最早在航空航天非承力内饰件的轻量化迭代项目中接触到，当时要在保证手持触感、局部安装刚度的前提下，把原有实心PA12材质的手持护件重量压减60%以上，传统的均匀挖孔、筋条排布方案要么出现应力集中导致跌落开裂，要么减重幅度达不到设计指标，最后就是用半随机Voronoi晶格的思路完成了结构优化。从实际打印落地的角度看，这类结构的壁厚控制是核心，单根晶格筋的壁厚要匹配所选3D打印设备的最小成型精度，FDM设备打印时壁厚不能低于0.8mm，否则逐层堆积时容易出现断丝、悬垂面塌陷的问题，光固化SLA或者SLS尼龙烧结工艺可以把壁厚做到0.3mm，同时能保证晶格连接节点的成型完整性。

　　结构的外轮廓是贴合人体工学的弧面，边缘做了R2以上的圆角过渡，既避免打印过程中出现尖角翘曲，也能保证实际手持接触时没有锐边割手的问题，中间预留的通孔是安装定位孔，孔周做了局部加厚，厚度是晶格筋壁厚的2.5倍，用来分散安装时的锁紧应力，避免锁紧螺丝时压溃周边的晶格结构。设计这类半随机晶格结构的时候，不能直接在整个实体内部全域填充Voronoi单元，要先根据受力仿真结果划分区域，手持施力的位置、安装孔周边的载荷传递路径上，要把Voronoi单元的尺寸缩小、筋条加粗，非受力的外观区域可以放大单元尺寸、减薄筋厚，这样既能保证整体结构的刚度满足使用要求，又能最大化实现轻量化效果。很多新手做这类结构的时候容易犯的错误是直接生成全域均匀的晶格，

　　最后打出来的样件要么受力位置容易断裂，要么整体重量还是超标，甚至因为晶格单元排布不合理，打印时需要加大量支撑，后期去除支撑的时候把细筋弄断。从应用场景拓展来说，这类结构不局限于手持护件，在无人机的非承力机架外壳、康复辅具的贴合支撑件、文创产品的镂空摆件上都能用到，尤其是需要兼顾透气、轻量化、外观质感的场景，Voronoi半随机晶格比规则的网格结构更有自然仿生的质感，同时应力分布更均匀，不会像规则方格那样在筋条交接位置出现明显的应力集中点。实际打印前的模型检查环节，要重点确认所有晶格筋条的连接位置都是完全融合的，不能出现游离的面片或者非流形边，不然切片软件生成路径的时候会出现错误，导致打印中途断料或者结构缺失。

　　另外这类镂空结构的安装边界要提前预留好公差，因为3D打印过程中材料会有轻微的收缩，尤其是SLS尼龙烧结的件，XY方向的收缩率大概在1.2%左右，安装孔的尺寸要提前放大补偿，不然装配的时候会出现孔位对不上、螺丝穿不过去的问题。结构的外曲面曲率变化要平缓，避免出现局部曲率过大的倒扣面，不然打印时支撑很难去除，还会在表面留下明显的支撑痕迹，影响外观质感。做晶格排布的时候，还要注意表层的晶格单元要和外轮廓曲面做布尔求差后的顺滑过渡，不能出现晶格筋条突出外表面的情况，不然手持的时候会有明显的凹凸硌手的触感。从材料适配的角度，这类结构用柔性TPU打印的时候可以做防护缓冲件，靠晶格的形变吸收冲击能量，用刚性光敏树脂或者PLA打印的时候可以做外观展示件或者低载荷的功能件，用金属3D打印的话还可以做换热领域的扰流构件，靠镂空的晶格结构增加流体的扰动，提升换热效率。