富莱雷纳晶格框架3D打印测试结构件

　　做3D打印工艺验证快十年，经手的测试件少说也有几百种，这类晶格类测试结构最能直观反映设备的成型精度、支撑剥离难度、斜向成型质量，比普通的方块、拉伸试样更贴近实际复杂构件的打印工况。很多刚入行的工程师总觉得测试件随便打个方块测测尺寸就行，真到打复杂镂空件的时候，斜杆下垂、节点虚接、薄壁翘曲的问题全冒出来，返工重打浪费耗材不说，还耽误项目进度。

　　这个结构的设计思路参考了富勒烯的分子连接逻辑，把传统的正六边形蜂窝晶格做了空间扭转延伸，所有杆件的连接节点都做了圆弧过渡，没有尖锐的直角交汇，一方面是减少打印过程中的应力集中，避免冷却收缩的时候节点位置开裂，另一方面也能测试设备在不同倾斜角度下的杆件成型质量——你看整个结构从底部到顶部，杆件和打印平台的夹角从接近90度到30度左右不等，刚好覆盖了FDM工艺最容易出问题的斜角区间，要是设备的冷却风量不对、打印温度偏高，小角度的杆件下表面就会出现明显的垂丝，表面粗糙度直接超差。

　　从实际应用场景来说，这类晶格结构现在用的地方越来越多，轻量化的工装夹具填充、航空航天件的内部支撑结构、医疗植入物的多孔结构设计，都需要先打同比例的测试件验证工艺参数。之前给客户做航空内饰的轻量化支架，内部填充就是类似的空间晶格，一开始直接上成品打印，斜杆位置全是虚接，承重测试的时候直接从节点位置断裂，后来就是用同比例的缩小晶格件反复调参数，把打印速度、冷却阈值、层厚都匹配好，再打成品一次就过了承重测试。

　　说回这个结构本身的尺寸边界，底部四个支撑脚的端面是完全贴合打印平台的，每个脚的端面直径控制在5mm左右，刚好能保证第一层的附着力，不会因为接触面积太小导致打印过程中翘边移位。整个结构的总高度大概在120mm左右，宽度方向最大尺寸60mm，属于中小尺寸测试件，打印时间控制在1.5小时以内，不会占用太多设备产能，日常做设备点检、换耗材后的工艺验证都很合适。杆件的直径统一做了2mm，这个尺寸是大部分工业级FDM设备和光固化设备都能稳定成型的最小直径区间，要是打出来的杆件粗细均匀、没有明显的节瘤，说明设备的挤出量校准、运动轴同步性都在合格范围内。

　　很多人容易忽略这类测试件的节点设计，这个结构的每个杆件交汇点都做了0.5mm的圆角过渡，没有突然的截面变化，打印的时候材料流动更顺畅，不会在节点位置出现堆料或者缺料的情况。之前见过不少新手自己设计的晶格测试件，节点位置直接是杆件直角对接，打出来的节点要么鼓个大包，要么因为材料冷却收缩直接拉裂，根本起不到测试的作用。另外这个结构的镂空率大概在75%左右，打印的时候不需要加内部支撑，只有最外侧几个接近水平的小凸台需要加少量易剥离支撑，刚好能测试设备的支撑生成逻辑和支撑剥离后的表面质量，要是支撑拆完之后杆件表面没有明显的凹坑、断茬，说明支撑参数设置合理。

　　日常做设备维护的时候，每次换不同牌号的耗材，比如PLA换PETG，或者换了新的喷嘴，我都会先打一个这个结构，比打温度塔直观多了——温度塔只能看不同温度下的材料流动，这个结构能同时看斜向成型、节点质量、尺寸精度、翘边情况，打完拿卡尺量一下几个关键位置的杆件间距、总高度，再转一圈看所有斜杆的表面质量，十几分钟就能判断设备状态能不能打正式工件。之前有台设备换了喷嘴之后没做验证，直接打客户的成品件，结果因为喷嘴没拧紧，挤出量不稳，斜杆位置全是断断续续的，整批工件都报废了，后来就定了规矩，不管是换耗材、换喷嘴、还是设备搬动之后重新调平，必须先打一个这类晶格测试件，确认没问题再接生产任务。

　　另外这个结构的倾斜角度是渐变的，从底部到顶部杆件的倾斜角度逐步变化，还能顺便测试不同层高下的成型效果，比如用0.2mm层高打的时候，30度斜杆的层纹应该是均匀细腻的，要是出现明显的台阶纹或者垂丝，就说明要么打印速度太快，要么冷却不够。之前给光固化设备做参数验证的时候也用这个结构，能看出来不同曝光时间下的杆件变形情况，曝光过度的话杆件会变粗，镂空位置会有残留的固化树脂，曝光不足的话节点位置容易断，拿在手里轻轻一掰就裂。

　　从结构设计的角度来说，这种空间晶格的力学性能也很有参考价值，顺着杆件轴向的承重能力比同重量的实心块高很多，现在很多轻量化设计都是用的类似拓扑优化后的晶格结构，提前用测试件摸清楚不同打印参数下的晶格力学性能，后面做正式产品设计的时候就能直接选用对应的参数，不用再反复做力学测试，能省不少研发时间。