从BCC到Gyroid：一文讲透增材制造中的主流晶格结构

随着增材制造技术的发展，晶格结构正越来越多地出现在实际产品中。从航空航天轻量化支架，到电池热管理系统；从高性能换热器，到骨科植入物，多孔结构已经成为提升产品性能的重要设计手段。与此同时，各种晶格类型也不断进入工程师的视野：BCC、FCC、Octet、Gyroid、Voronoi……面对这些名称，一个问题经常被提出：

这些晶格到底有什么区别？又该如何选择？

事实上，晶格结构的选择从来不只是几何形状的选择，而是在性能需求、零件外形、制造工艺和应用场景之间寻找平衡。

晶格结构的三大主流类型

虽然晶格结构种类繁多，但从几何构建方式来看，大多数都可以归纳为三大类：

01 / 杆状晶格

杆状晶格是最早也是应用最广泛的一类晶格结构。其基本思想是利用梁、杆等线性单元构建周期性空间网络。常见结构包括：BCC、FCC、Octet Truss、Diamond Lattice...

这类结构最大的特点是几何规则、参数明确。通过调整杆径、单元尺寸和相对密度，可以较为直接地控制整体刚度和强度。其中，Octet Truss因具有较高的比刚度和比强度，被广泛应用于航空航天轻量化结构设计。相比之下，BCC结构更容易生成和制造，因此在工程实践中应用非常普遍。

杆系晶格的主要优势包括：

• 设计逻辑清晰
• 参数化程度高
• 力学性能研究成熟
• 仿真分析相对容易

02 / TPMS结构

近年来，TPMS已成为增材制造领域最受关注的结构类型之一。TPMS的全称是三重周期极小曲面，其特点是在空间中形成连续光滑的曲面网络，并沿三个方向周期重复。常见TPMS类型包括：Gyroid、Diamond TPMS、Schwarz......

与传统杆系晶格相比，TPMS不再由离散杆件组成，而是由连续曲面构成。这种几何特征带来了多个优势：

• 连续曲面能够显著降低应力集中。
• 较高的比表面积有利于传热与传质。
• 其复杂连通孔道也有利于流体流动和组织长入。

因此，TPMS已广泛应用于热交换器、液冷散热结构、电池热管理系统、高性能过滤结构及骨科植入物等。其中，Gyroid是目前应用最广泛的TPMS类型之一。其连续且无自交的曲面特征，使其兼具良好的力学性能和制造可行性，因此在医疗和热管理领域尤为常见。

03 / 随机晶格

如果说杆状晶格代表工程规则性，TPMS代表数学连续性，那么随机晶格则更接近自然界的生长逻辑。Voronoi结构源于空间划分算法。通过随机种子点生成空间单元，可以形成类似松质骨、珊瑚和细胞组织的复杂孔隙网络。

与规则晶格相比，Voronoi最大的特点是非周期性。这种随机特征使其在视觉和结构上更接近天然生物组织。其优势主要体现在：

• 更接近自然骨组织形态
• 孔隙分布更加多样
• 生物相容性设计空间更大

但与此同时，随机性也意味着性能预测和控制更加复杂，对设计软件和仿真分析能力提出了更高要求。

传统设计往往在整个零件中使用相同的晶格参数。但在实际工况下，零件内部的应力、温度和功能需求往往并不均匀。因此，更先进的设计方法开始利用场驱动设计实现连续梯度控制。例如：在高应力区域降低孔隙率；在低应力区域提高孔隙率；在需要强化散热的位置增加相对比表面积；在植入物接触区域优化孔径分布。

这种设计理念能够让结构分布更加贴近真实需求，从而充分发挥增材制造的设计自由度。在漫格设计软件VoxelDance Design（VDD）中，设计人员不仅可以快速生成各种晶格，还能够基于应力场、距离场和用户自定义参数等实现梯度控制与多结构融合设计。借助隐式建模技术，即使面对大规模复杂结构，也能够保持较高的建模效率和设计灵活性。