Максимизация поглощения шума и ударов с 3D-печатными решётчатыми структурами

Тристан Антонсен, инженер по применениям, Fast Radius

Решётки — трёхмерные структуры, состоящие из серии повторяющихся элементарных ячеек, созданных паттерном пересекающихся лучей и узлов. Эти микро-архитектуры набрали популярность в последние годы по ряду причин, включая их способность обеспечивать производство лёгких деталей, имеющих сравнимые материальные характеристики и структурную целостность с наследическими компонентами — и часто с меньшим излишним материалом. Решётки также используются для поглощения ударов, шума и демпфирования вибраций, потому что они могут иметь низкую жёсткость и способность переносить и восстанавливаться после деформаций.

У этого есть, возможно, удивительные реальные применения. Впечатлённые тем, что наши партнёры в Carbon достигают со своей пионерской технологией Digital Light Synthesis™, спортивный гигант Adidas обратился за дизайном подошвы для спортивной обуви, включающей высокую амортизацию ударов, которую обеспечивают решётки. Материальные требования были вызовом: подошва должна была быть упругой и гибкой, обеспечивать отличный отскок и минимизировать удар на тело спортсмена. Технология Carbon справилась с вызовом — результатом стала потрясающая высокопроизводительная подошва Adidas Futurecraft 4D, предлагающая исключительное поглощение ударов при малом объёме компонента.

Вот что продуктовые менеджеры должны знать о том, как решётки можно использовать для обеспечения максимального демпфирования вибраций и рассеяния энергии.

Всё о решётках

В общем, малый размер и сложная геометрия решёток делает их трудными для создания традиционными субтрактивными методами производства; решётки поэтому обычно производятся через процессы 3D-печати.

Ключевое преимущество проектирования для аддитивного производства — оно позволяет продуктовым менеджерам реализовать процесс обратного проектирования, то есть они могут проектировать оптимальные материальные характеристики под данное применение вместо поиска подходящего материала, который уже существует.

Некоторые материалы по своей природе лучше рассеивают энергию — EPU 40 лучше демпфирует вибрации, чем EPU 41, например — и выбор материала, соответствующего требуемым характеристикам применения детали, позволяет производителям увеличить амортизацию ударов своих компонентов.

Хотя выбор материала играет значительную роль в способности решётки демпфировать вибрации и рассеивать энергию, дизайн решётки в большинстве случаев имеет более значительный эффект на демпфирующий эффект детали. На макроуровне решётчатые структуры обычно проектируются так, чтобы гнуться или терять устойчивость при ударе. Гнущиеся решётки очень эластичны и пружинисты, в то время как теряющие устойчивость решётки позволяют отдельным лучам отдаваться и гнуться, что экстремально эффективно для рассеяния энергии. Свободные слойные демпфирующие обработки также можно применять к деталям.

На гранулярном уровне повторяющийся паттерн лучей и узлов, составляющий решётку, называется элементарными ячейками. Существует огромное число потенциальных комбинаций узлов и лучей, но открытые, разреженные элементарные ячейки обычно создают мягкие решётки, в то время как ячейки с более высокой концентрацией треугольников и лучей обычно создают жёсткие структуры.

Тип ячейки, размер и ориентация напрямую влияют на коэффициент демпфирования материала решётки, и изменения в относительной толщине лучей по сравнению с размером элементарной ячейки заставят решётку демонстрировать кардинально другое поведение — всё это нужно учитывать для максимизации поглощения ударов и рассеяния энергии.

Проектирование решёток для производства

Пока аддитивные методы позволили производителям создавать вещи, которые ранее были невозможны, решётки всё ещё должны быть хорошо спроектированы для эффективного выполнения своих функций. Включая принципы дизайна для аддитивного производства (DFAM), инженеры могут помочь использовать специфические свойства процесса 3D-печати для обеспечения того, что их решётчатые структуры максимально эффективно поглощают удары, звук и вибрации.

Две важные DFAM-соображения — структура и ориентация элементарных ячеек решётки. Решётка прежде всего должна быть печатаемой. Это включает факторы вроде процесса печати, ориентации печати и иногда поддерживающих структур в дизайн для обеспечения жизнеспособности детали.

Ориентация ячеек решётки неразрывно создаёт анизотропные детали, означая, что компоненты ведут себя по-разному в одном направлении по сравнению с другим. Это не обязательно недостаток — если решётка должна вести себя в одном направлении (как в случае с теряющими устойчивость решётками) продуктовые менеджеры должны обеспечить, чтобы ориентация ячеек структуры правильно выровнена в этом направлении.

При правильной реализации DFAM позволяет производителям обходить ограничения наследических производственных методов и делать совершенно новые вещи возможными. Во многих случаях аддитивно произведённые детали, включающие решётчатые структуры, имеют сопоставимое, если не превосходное качество по сравнению с деталями, созданными через наследические процессы.

Откройте, как Fast Radius движет инновации в производстве

Решётчатые структуры — универсальный и эффективный метод создания деталей, поглощающих и рассеивающих удары, звук и вибрации. Ключевые соображения в дизайне решёток включают чёткое определение требований заранее, выбор подходящих материалов на основе этих требований и желаемой функциональности решётки, и архитектуру структуры решётки соответственно. Выбор лучшего материала для демпфирования вибраций на основе требуемых характеристик производительности — идеальное отправное место, так как это поможет максимизировать способности детали к рассеянию энергии и поглощению ударов.

Fast Radius предан использованию передовых технологий, а также проверенных методов, чтобы сделать каждое производство более эффективным и более действенным. Мы работаем с каждым из наших клиентов для оптимизации деталей для дизайна и производимости, потому что гордимся доставкой превосходных компонентов вовремя и по конкурентоспособным ценам. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы узнать, как мы можем помочь.