Как 3D-печатные решетчатые структуры могут улучшить детали

Решетчатые структуры, напечатанные на 3D-принтере, являются одним из самых больших преимуществ аддитивного производства. Их легко изготовить с помощью уникального процесса 3D-печати, и их использование дает множество практических преимуществ.

Решетчатые структуры — это, по сути, шаблоны заполнения — способы структурирования внутренней геометрии 3D-печатной детали. Вместо 3D-печати сплошного блока из пластика или металла инженеры могут использовать перекрывающиеся, перекрывающиеся узоры, которые частично полые. Когда эти решетки спроектированы правильно, они могут значительно улучшить механические свойства детали, сделав ее легче и прочнее.

Важно отметить, что решетчатые конструкции можно изготовить на любом профессиональном 3D-принтере. И что еще более важно, эти структуры не могут быть адекватно изготовлены с использованием любой другой производственной технологии. Субтрактивные технологии не могут вырезать внутреннюю часть детали, не разрезая ее снаружи, в то время как формы просто «наполняются» жидким материалом — вы не можете выбирать, как этот жидкий материал укладывается на место, как это можно сделать с помощью 3D-принтера.

В этой статье рассказывается о том, как создаются решетчатые структуры, напечатанные на 3D-принтере, и почему они становятся такими полезными в таких областях, как аэрокосмическая промышленность.

Как сделать 3D-печатную решетку?

Решетчатые конструкции можно увидеть повсюду в таких местах, как мосты и деревянные дома. Эйфелева башня — это, пожалуй, самый известный в мире пример решетчатой ​​или ферменной конструкции, перекрывающиеся балки которой образуют устойчивую, но в основном полую структуру.

Такую структуру можно воспроизвести в 3D-печатной детали. И, как правило, нет необходимости проектировать структуру решетки вручную:существует несколько инструментов генерации решетки, которые автоматически генерируют образцы решетки на основе параметров, выбранных пользователем. Коммерчески доступные инструменты включают топологию, Autodesk Within и Meshify.

Но не все решетки одинаковы. На самом деле решетчатые структуры различаются по многим параметрам, основные из которых описаны ниже.

Структура ячейки

Ячейки – это отдельные единицы, составляющие решетчатую структуру. Обычно они распознаются как геометрические формы, такие как кубы, звезды, шестиугольники, восьмиугольники и т. Д., Хотя несколько форм можно комбинировать для конкретных механических применений. Иногда клетки совершенно неравномерны, без видимого рисунка.

В конечном счете, ячеистая структура — как ее форма, так и размер — влияет на поведение детали с точки зрения прочности, веса, эластичности и других факторов.

Ориентация ячейки

Принятие решения о структуре и размере клетки — это только половина дела. Формы внутри решетки могут быть ориентированы по-разному, что также влияет на конечные характеристики детали. Ориентация также должна определяться ограничениями печати:например, для некоторых ориентаций потребуются дополнительные поддерживающие конструкции.

Материал решетки

Не все материалы способны печатать все решетчатые структуры. Мягкие и эластичные материалы, как правило, не следует печатать с крупноячеистыми структурами, так как большие пористые участки могут привести к провисанию детали. В большинстве случаев материал решетки будет таким же, как корпус или внешний материал, но принтеры с несколькими экструдерами предлагают некоторую гибкость в этом отношении.

В чем преимущества напечатанной на 3D-принтере решетки?

Внедряя решетчатые структуры в напечатанные на 3D-принтере детали, инженеры получают такие преимущества, как снижение веса, повышение прочности деталей и амортизации.

Снижение веса, возможно, является наиболее важным из этих преимуществ и основной причиной, по которой инженеры так стремятся оптимизировать свои печатные структуры с помощью узорчатой ​​внутренней геометрии. Ключевой особенностью решетчатых конструкций является их частичная пустота:ячейки содержат пустое пространство, поэтому, помимо внутреннего решетчатого рисунка, они содержат меньше общего материала, чем эквивалентная деталь со сплошным заполнением.

Меньше общего материала означает меньшую массу, что является огромным преимуществом для пользователей AM в таких отраслях, как автомобилестроение и аэрокосмическая промышленность, где сокращение всего на несколько граммов может иметь огромное значение для производительности детали. На самом деле, одни из самых интересных исследований решеток проводятся в аэрокосмической отрасли, где такие компании, как Boeing, разработали сверхлегкие усовершенствованные решетчатые материалы.

Меньше материала также означает меньше расходов. Создавая детали с решетчатой ​​структурой, инженеры могут создавать более качественные детали, которые на самом деле стоят меньше, чем менее качественные.

Но весь смысл решетчатых конструкций в том, чтобы уменьшить массу без ущерба для целостности детали. В то время как проделывание произвольных отверстий в детали может сделать ее более хрупкой и с большей вероятностью сломаться, решетчатые структуры, напечатанные на 3D-принтере, предназначены для использования материала наиболее структурно эффективным способом, гарантируя, что полые секции являются не уязвимыми местами, а сильными сторонами сами по себе.

Частично полые детали с решетчатой ​​структурой на самом деле могут быть прочнее, чем их цельные аналоги, потому что пустые пространства в решетке служат для улучшения амортизации и снижения ударной нагрузки. Детали с крупноячеистой решетчатой ​​структурой могут быть очень гибкими и эластичными, что снижает хрупкость и вероятность поломки.

Менее важной, но все же заметной является эстетика решеток. Эти сложные узоры являются одними из самых впечатляющих форм, которые инженеры могут создать с помощью 3D-принтера, поэтому детали с напечатанными решетками часто столь же привлекательны визуально, сколь и практичны.

Краткий обзор преимуществ 3D-печатных решеток:

• Легкий
• Меньший расход материала
• Сильный
• Амортизирующие
• Эстетика

Могут ли станки с ЧПУ изготавливать решетчатые конструкции?

Короче говоря, нет. Станки с ЧПУ и другие субтрактивные производственные технологии не могут создавать трехмерные решетчатые структуры, поскольку они используют режущие инструменты для удаления материала из твердого блока. Станок с ЧПУ мог бы вырезать полые секции первого ряда ячеек решетки, но тогда режущий инструмент заходил бы в тупик. Он не может разрезать следующий ряд полых секций, потому что сплошные секции мешают.

3D-принтер не сталкивается с этой проблемой, потому что он изготавливает детали в виде срезов или поперечных сечений, создавая их из ничего, а не вырезая из цельного блока. Таким образом, аддитивное производство далеко не лучшая технология производства для создания решетчатых структур.

Обратите внимание, однако, что станки с ЧПУ могут эффективно создавать двухмерные решетчатые структуры, такие как решетки, и эти определенные решетки, обработанные на станках с ЧПУ, могут быть на самом деле прочнее, чем решетки, напечатанные на 3D-принтере.

Каковы практические применения 3D-печатных решеток?

Решетчатые структуры, напечатанные на 3D-принтере, уже нашли применение во многих отраслях, поскольку инженеры и дизайнеры продуктов в различных отраслях промышленности постоянно ищут способы облегчить и укрепить детали.

Снижение веса особенно важно в аэрокосмической промышленности. и автомобильная промышленности, так как тяжелые детали обычно снижают скорость автомобиля и приводят к большему расходу топлива. Поэтому легкие детали гораздо более желательны.

Учитывая, что ферменные конструкции существуют в архитектуре сотни лет, неудивительно, что миниатюрные версии решеток также становятся популярными в современной архитектуре. пейзаж. А поскольку решетчатые структуры можно точно спроектировать, исследователи даже нашли способы создания трехмерных моделей, которые снижают уровень шума, потенциально улучшая изоляционные материалы для зданий.

Решетки, напечатанные на 3D-принтере, также используются в одежде . иобувь , а такие компании, как Adidas, используют 3D-печатные эластомерные решетки для промежуточных подошв кроссовок. Эти решетки обеспечивают легкую подушку с огромным отскоком — гораздо лучшим и более научно обоснованным, чем вездесущие «пузырьки воздуха» 1990-х годов.

3D-печатные решетки с 3ERP

3ERP — опытный поставщик 3D-печатных деталей и прототипов, и мы можем производить высококачественные решетчатые детали для различных применений.

Наши услуги по аддитивному производству включают FDM, SLA, SLS и SLM, все из которых можно использовать для создания сложной внутренней геометрии.

Свяжитесь с нами для быстрой цитаты.