自然界中随处可见点阵结构，如骨骼和金属晶体等。在产品设计时，利用点阵的机械效能，如超大表面积，优异的减震性能，抗冲击保护等，能够克服传统制造的限制，创造新的、更高性能的产品。

设计师们可以将3D打印点阵结构与零部件功能相结合，将它们“隐身”于热交换器、燃气涡轮发动机等零部件的内部，起到冷却散热的作用；或将它们设计为运动鞋中底，起到减震的作用，带有3D打印鞋中底的运动鞋已成为全球各大运动鞋品牌力捧的亮点。

如今，3D打印点阵结构的优异性能获得了更多认可，其应用也走向更多领域，如替代传统泡沫，成为运动头盔的缓冲保护材料。近日，汽车制造商保时捷公开的一款跑车座椅中也融入了3D打印点阵结构。这次，3D打印点阵结构将为保时捷车主带来什么新体验呢？3D科学谷马上为您揭晓。

带聚氨酯3D打印点阵结构的座椅。来源：Porsche

 可调整的点阵，可定制的舒适度

座椅是人与车辆之间交互的窗口，对于高性能车辆而言，座椅的运动操控性、舒适性尤其重要。为驾驶员提供定制的座椅，在很长时间以来是赛车的标准配置。

来源：Porsche

保时捷正在将赛车定制级座椅带来的舒适体验融入保时捷跑车中，而3D打印技术为保时捷实现座椅的舒适性能和定制生产，提供了技术上的可行性。

来源：Porsche

保时捷通过“3D打印人体形态座椅”的研发，提出了一种创新的替代传统座椅材料的方案。这一创新型人体形态座椅采用“三明治”结构，包括由发泡聚丙烯（EPP）制成的基础支撑结构，由聚氨酯3D打印的点阵结构，以及外层的Racetex覆盖物，这一层具有用于气候控制的特殊穿孔图案。处于中间的3D打印点阵结构，是座椅的舒适层，这层材料由基于光聚合工艺的3D打印技术制造而成。

保时捷通过调整3D打印点阵舒适层的设计，为客户提供座椅的定制服务。将来，保时捷的客户可在硬、中、软三个硬度级别中进行选择。除了汽车运动中的人体工程学设计之外，这款座椅具有独特的设计、更轻的重量，更高的舒适度和被动气候控制。

保时捷精装配件（Porsche Tequipment）将从2020年5月开始，为911和718系列提供3D打印人体形态座椅。初期可面向客户提供的数量为40个，座椅配有六点式安全带，在收集客户的反馈意见之后，将开始下一步的座椅开发。

预计2021年，保时捷定制服务将向客户提供具有三种不同硬度和颜色的3D打印座椅。如果有足够的客户对此座椅感兴趣，保时捷还将提供完全个性化的解决方案，包括提供更丰富的颜色选择以及开发个性化的座椅轮廓。

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然而，当超过使用寿命的发动机不能再开动的时候，车子的价值就直线下降了。在气缸盖损坏无法修补的情况下，唯一的补救办法是重建气缸盖或通过逆向工程来生产一个新的与原来设计完全一样的气缸盖，不管是重新设计还是逆向工程，3D打印都是高效可行的方式。

3D打印可用于发动机制造有几种工艺，一种工艺是3D打印熔模，然后在熔模外包覆若干层耐火材料制成型壳，再将高温熔化3D打印出的熔模部分，从而获得无分型面的铸型。第二种工艺是3D打印砂芯，然后与第一种方法获得铸型后的工序类似，进行金属浇铸的工序。第三种工艺是3D打印金属，该工艺不涉及金属浇铸的工序，某种意义上通过3D打印金属“替代”铸造工艺。

图片：3D科学谷

本期，3D科学谷通过voxeljet-维捷（中国）在德国的案例来领略如何通过3D打印砂芯（上图的工艺2）来为保时捷重建气缸盖。

德国Retro-Design 3D GmbH公司接受了为保时捷重建气缸盖的挑战，而原来的砂芯生产工艺由于成本太高的原因不能采用，唯一的办法是通过3D打印的方式来生产砂芯。

对于每一个设计工程师来说，重构复杂的组件是一个挑战，因为在大多数情况下，图纸是不可用的，气缸盖的重新设计优化是个探索过程，并且设计必须要了解零件设计的修改对气缸的性能会带来怎样的影响，尤其在气门座，喷油部位和凸轮轴部位需要考虑设计改变的每个细节将会对性能带来的作用。

气门导管、座圈、凸轮轴轴承、进气和排气管道、气缸盖螺钉等必须通过三维的方式精确建模出来。不仅如此，还需要考虑后期金属铸造的要求，从铸造的角度增加技术指标，如斜角和圆角等。Retro-Design 3D GmbH公司先是三维扫描保时捷Carrera 356的发动机缸盖，然后通过CATIA V5来进行建模，在建模工作完成后通过铸造仿真软件进行铸造过程的模拟。

图片：气缸盖重建，来源维捷（中国）

随后，Retro-Design 3D GmbH公司将3D打印十一个砂芯的整个核心包订单发送到位于Friedberg的voxeljet服务中心。通过voxeljet打印机出色的打印质量，勾勒出2mm薄壁冷却肋结构，且内芯和外芯在3D打印过程中无需支撑结构。

图片：气缸盖重建，来源维捷（中国）

除了薄壁结构的打印，voxeljet砂模打印的特点还包括：

经济生产：砂模和砂芯印逐层打印，无需复杂且昂贵的生产工具。

大幅面打印：大型模具可在成形尺寸达4,000 x 2,000 x 1,000 mm 的平台上进行打印。

快速可用性：最快仅需3个工作日即可交货。

复杂的组件：几乎任意的几何形状，凹形底亦可以实现。

精密砂模芯和高表面质量：单层石英砂厚度为300微米。

常用的铸造材料：石英砂和呋喃树脂。

适于所有金属的铸造：例如铝，黄铜，镁，铁和钢铸造以及所有常见的合金。

可能的组合：3D打印砂芯可以与传统的砂模组合，反之亦然。

易于取出砂芯：由于固化剂含量较低，除气和取芯难度和传统工艺相仿。

理想的样机制造和零件优化：使用3D打印可以快速、灵活、经济地开发和优化零件。

图片：气缸盖重建，来源维捷（中国）

最终的金属铸件是由一个专门的铸造厂完成的。热等静压（HIP）处理带来了发动机缸盖机械性能的很大的提升，并且减少了毛刺。经过T6固溶处理，水冷到室温，然后再重新加热进行时效处理，使合金中各种相充分溶解，强化固溶体，并提高韧性及抗蚀性能，消除应力与软化，使得气缸盖的强度极限得到升级，然后通过五轴加工中心完成了铝合金气缸盖的最后精加工。

图片：气缸盖重建，来源维捷（中国）

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