Улучшение свойств деталей с помощью 3D-печатных латис-структур

3D-печатные латис-структуры — одна из главных «фишек» аддитивного производства. Их легко изготовить с помощью уникального процесса 3D-печати, и они несут множество практических преимуществ.

Латис-структуры — это по сути узоры наполнения — способы структурирования внутренней геометрии 3D-печатной детали. Вместо печати сплошного блока пластика или металла инженеры могут использовать перекрывающиеся, зацепляющиеся узоры, которые частично полые. При правильном проектировании такие решетки могут значительно улучшить механические свойства детали, делая ее легче и прочнее.

Важно, что латис-структуры можно изготовить на любом профессиональном 3D-принтере. И еще важнее: эти структуры не могут быть адекватно произведены никакой другой производственной технологией. Вычитающие технологии не могут вырезать внутренность детали, не прорезав наружность, а формы просто «заполняются» жидким материалом — нельзя выбрать, как жидкий материал ляжет, как это делает 3D-принтер.

В этой статье рассматривается, как создаются 3D-печатные латис-структуры и почему они становятся так полезны в таких областях, как авиакосмическая отрасль.

Как сделать 3D-печатную решетку?

Решетчатые структуры можно встретить везде: в мостах, деревянных домах. Эйфелева башня — пожалуй, самый известный в мире пример решетчатой или ферменной структуры, с ее переплетенными балками, образующими стабильную, но в значительной степени полую конструкцию.

Такой структуру можно воспроизвести в 3D-печатной детали. И обычно не нужно проектировать решетчатый каркас вручную: существует несколько инструментов генерации решеток, которые автоматически создают узоры решеток на основе параметров, заданных пользователем. Коммерчески доступные инструменты включают топологию, Autodesk Within и Meshify.

Но не все решетки одинаковы. На самом деле, латис-структуры варьируются во многих отношениях, ключевые вариации описаны ниже.

Структура ячейки

Ячейки — отдельные единицы, составляющие латис-структуру. Обычно они узнаваемы как геометрические формы: кубы, звезды, шестиугольники, восьмиугольники и т.д., хотя несколько форм могут комбинироваться для специфических механических целей. Иногда ячейки полностью неравномерны, без различимого узора.

В конечном счете, структура ячейки — как ее форма, так и размер — влияет на поведение детали в плане прочности, веса, эластичности и других факторов.

Ориентация ячейки

Выбор структуры и размера ячейки — только половина дела. Формы внутри решетки могут быть ориентированы по-разному, что также влияет на конечную производительность детали. Ориентация также должна определяться ограничениями печати: определенные ориентации потребуют больше поддерживающих структур, например.

Материал решетки

Не все материалы способны печатать все латис-структуры. Мягкие и эластичные материалы обычно не должны печататься с крупными ячейками, так как крупные пористые участки могут вызвать провисание детали. В большинстве случаев материал решетки будет тем же, что и оболочки или внешнего материала, но принтеры с множеством экструдеров дают некоторую гибкость в этом вопросе.

Каковы преимущества 3D-печатной решетки?

Внедряя латис-структуры в 3D-печатные детали, инженеры могут получить такие выгоды, как снижение веса, улучшение прочности детали и амортизация ударов.

Снижение веса, пожалуй, самое важное из этих преимуществ и главная причина, почему инженеры так стремятся оптимизировать свои печатаемые структуры с паттернированными внутренними геометриями. Ключевая особенность латис-структур — их частичная полость: ячейки содержат пустое пространство, поэтому деталь с внутренним латис-узором содержит меньше общего материала, чем эквивалентная деталь с твердым наполнением.

Меньше материала — значит меньше массы, что является огромным преимуществом для пользователей аддитивного производства в таких отраслях, как автомобилестроение и авиакосмика, где сбрасывание всего нескольких граммов может кардинально изменить характеристики детали. Фактически, некоторые из самых захватывающих исследований в области решеток ведутся в авиакосмике, где компании вроде Boeing разработали сверхлегкие передовые латис-материалы.

Меньше материала также означает меньшие затраты. Создавая детали с латис-структурами, инженеры могут создавать превосходные детали, которые на самом деле стоят дешевле неполноценных.

Но вся суть латис-структур — снизить массу без ущерба целостности детали. В то время как произвольные отверстия в детали могли бы сделать ее более ломкой и склонной к поломке, 3D-печатные латис-структуры спроектированы так, чтобы использовать материал наиболее структурно эффективным образом, гарантируя, что полые участки — не уязвимости, а сами по себе прочность.

Частично полые детали с латис-структурами могут быть даже прочнее своих сплошных эквивалентов, потому что пустые пространства в решетке улучшают амортизацию ударов и снижают ударные напряжения. Детали с крупноячеистыми латис-структурами могут быть высоко гибкими и эластичными, снижая ломкость и вероятность поломки.

Менее важно, но все же замечательно — эстетика решеток. Эти сложные узоры — одни из самых впечатляющих форм, которые инженеры могут сделать на 3D-принтере, поэтому детали с печатаемыми решетками часто столько же визуально захватывающи, насколько практичны.

Краткое резюме преимуществ 3D-печатных решеток:

• Легкость
• Меньшее использование материала
• Прочность
• Амортизация ударов
• Эстетика

Могут ли ЧПУ-станки создавать латис-структуры?

Короткий ответ: нет. ЧПУ-станки и другие вычитающие технологии не могут создавать 3D-латис-структуры, потому что они используют режущие инструменты для удаления материала из твердого блока. ЧПУ-станок мог бы вырезать полые участки первого ряда ячеек решетки, но режущий инструмент затем упрется в тупик. Он не может вырезать следующий ряд полых участков, потому что твердые участки преграждают путь.

3D-принтер не сталкивается с этой проблемой, потому что он изготавливает детали слоями или поперечными сечениями, наращивая их из ничего, а не вырезая из твердого блока. Аддитивное производство поэтому далеко лучше технологии для создания латис-структур.

Заметьте, однако, что ЧПУ-станки могут эффективно создавать 2D-латис-структуры, такие как решетки, и эти конкретные ЧПУ-латис-структуры могут быть даже прочнее 3D-печатных решеток.

Каковы практические применения 3D-печатных решеток?

3D-печатные латис-структуры уже находят применение во многих отраслях, так как инженеры и продуктовые дизайнеры по всему коммерческому спектру постоянно ищут способы облегчить и укрепить детали.

Снижение веса особенно важно в авиакосмической и автомобильной отраслях, поскольку тяжелые детали обычно снижают скорость транспортных средств и ведут к большему расходу топлива. Легкие детали поэтому гораздо более желательны.

Учитывая, что ферменные структуры существуют в архитектуре сотни лет, неудивительно, что миниатюрные версии решеток также становятся популярны в современном архитектурном ландшафте. И поскольку латис-структуры могут быть точно спроектированы, исследователи даже нашли способы создания 3D-узоров, снижающих шум, потенциально улучшая теплоизоляционные материалы для зданий.

3D-печатные решетки также находятся в одежде и обуви, с компаниями вроде Adidas, использующими 3D-печатные эластомерные решетки для подошв кроссовок. Эти решетки обеспечивают легкую амортизацию с огромным отскоком — намного лучше и более научно обоснованно, чем повсеместные «воздушные пузыри» 1990-х.

3D-печатные решетки с 3ERP

3ERP — опытный поставщик 3D-печатных деталей и прототипов, и мы способны производить высококачественные латис-детали для различных приложений.

Наши услуги аддитивного производства включают FDM, SLA, SLS и SLM, все из которых могут использоваться для создания сложных внутренних геометрий.

Свяжитесь с нами для быстрого расчета стоимости.