Понимание трехмерных печатных решеток:свойства, производительность и особенности дизайна

Процессы аддитивного производства (AM) позволяют инженерам раскрыть возможности решетчатых структур для повышения производительности своей продукции. Решетки – это двух- или трехмерные микроархитектуры, состоящие из сети узлов и балок или распорок, которые значительно уменьшают вес и сохраняют структурную целостность.

Существует множество доступных типов решеток

Существует множество доступных типов решеток, которые имеют уникальные характеристики (виды деформации, эффективность материала и т. д.) и эстетику. Многие из этих решетчатых структур вдохновлены естественными кристаллическими структурами. А из-за изначально небольших размеров решетки сложно или почти невозможно создать с помощью устаревших методов производства.

Включение решетчатых структур позволяет инженерам исследовать больше пространства для проектирования, переосмысливая желаемую производительность своей детали.

Благодаря технологии решетки общая масса детали может быть уменьшена на 90 % и более за счет точной настройки параметров решетки в соответствии с физическими нагрузками на деталь.

Механические преимущества

Преимущества решеток были хорошо известны во все времена. Если вы посмотрите достаточно близко, вы увидите решетки в природе (такие как кость, кристаллография металла и т. д.), а также в современной архитектуре. Возьмем, к примеру, Эйфелеву башню:металлическая конструкция башни эффективно поддерживает ее вес, когда она достигает неба. Подобно простой решетке, эта самонесущая конструкция по объему состоит в основном из воздуха. Благодаря высокому соотношению прочности и веса решеток удалось добиться этого грандиозного архитектурного достижения.

Точно так же механические преимущества решеток (например, большая площадь поверхности, превосходное поглощение ударов, защита от ударов) в дизайне продуктов позволяют разработчикам продуктов бросать вызов ограничениям традиционного производства для создания новых и часто более эффективных продуктов.

Хорошее соотношение прочности и веса

Как правило, есть два пути улучшения отношения прочности к весу данной детали. При традиционном производстве это достигается за счет сокращения количества материалов в некритических областях для оптимизации использования материалов. Благодаря решетке вы можете удалить материал в критических областях детали. Хотя решетка снижает общую прочность детали, снижение веса может улучшить соотношение прочности и веса.

Высокая площадь поверхности

Решетки не только легкие, но и освобождают большую площадь поверхности, что является ключевым преимуществом для продуктов, облегчающих теплообмен и химические реакции.

Рассмотрим теплообменники, используемые в компьютерах на серверах и в центрах обработки данных. Как правило, производительность процессора ограничивается количеством выделяемого тепла. Цель состоит в том, чтобы отвести тепло от чипа и выпустить его в атмосферу, обычно с помощью вентилятора. Общая эффективность этой системы связана с площадью поверхности радиатора (куска металла, который отводит тепло от чипа). Решетки могут значительно увеличить доступную площадь поверхности или, в качестве альтернативы, сделать такую ​​площадь поверхности более доступной, избегая сложных процедур обработки. Фактически, это повышение эффективности может быть реализовано во многих различных типах теплообменников, где трудно или почти невозможно создать небольшие элементы с большой площадью поверхности без аддитивного производства.

Отличная амортизация и защита от ударов

Решетки также могут помочь защитить продукты от падений или столкновений, лучше поглощая энергию удара. Решетки можно либо интегрировать в продукт, например футбольный шлем, для снижения ударной нагрузки, либо использовать в качестве жертвенной функции для защиты важнейших компонентов продукта. Например, решетку можно использовать вокруг или внутри электронных компонентов, чтобы защитить их от динамических событий, таких как слишком распространенное случайное падение.

Желательное подавление вибрации и шума

Решетки, изготовленные методом аддитивного производства, также дают инженерам новый способ устранения механического шума, например вибрации, который может доставлять неудобства пользователям и даже снижать производительность машины.

Решетки эффективно гасят вибрации из-за их низкой жесткости и способности выдерживать и восстанавливать большие деформации. Решетки можно, например, интегрировать в изолирующую подушку на тяжелом оборудовании, чтобы уменьшить количество энергии, поступающей в производственную систему. Настраиваемая природа решеток позволяет инженерам усовершенствовать конструкции в соответствии с их конкретным применением.

Раскройте потенциал решеток, придерживаясь принципов DFAM

Это правда, что аддитивное производство может открыть много возможностей для новых продуктов, но есть факторы дизайна, которые необходимо учитывать, прежде чем печатать функциональную решетку. Именно здесь вступает в действие проектирование для аддитивного производства (DFAM). DFAM помогает инженерам-проектировщикам гарантировать, что их печатные детали соответствуют замыслу проекта.

Некоторые важные аспекты DFAM включают структуру ячеек решетки, размер и плотность ячеек, выбор материала и ориентацию ячеек.

• Структура клетки
  Существует огромное количество клеточных структур, которые являются повторяющимися единицами в решетке. Список клеточных структур очень длинный и постоянно растет. Наиболее распространенные структуры ячеек включают кубическую, звездообразную, октетную, шестиугольную, ромбовидную и тетраэдрическую, и это лишь некоторые из них. Структуры ячеек можно настраивать и даже смешивать, чтобы получить желаемый ответ для вашей системы, но ваш выбор имеет последствия. Некоторые конструкции более эффективны (более высокое отношение жесткости к весу), другие лучше гасят энергию, а некоторые немного более эстетичны. Сильные стороны и преимущества необходимо сопоставить друг с другом, чтобы сделать правильный выбор с вашей стороны.
• Размер и плотность клеток
  Размер и плотность ячеек относятся к размеру отдельной элементарной ячейки и к тому, сколько ячеек повторяется в пространстве. Сам размер ячейки зависит от толщины и длины ее элементов и соединительных узлов. Ячейки большего размера легче печатать, но они также могут действовать более жестко; аналогичным образом ячейки меньшего размера обеспечивают более однородный отклик системы, но ограничены размерами функций.

• Выбор материала
  Выбранный вами материал может определить, какие свойства решетки возможны. Эластомерные или мягкие материалы обычно требуют более мелкой и плотной популяции ячеек, чтобы уменьшить провисание во время печати. В качестве альтернативы, решетки, напечатанные из более жесткого материала, как правило, допускают больший диапазон конструкций с более тонкими элементами и большими размерами ячеек.
• Ориентация ячейки
  Угол, под которым печатается ячейка, может повлиять на успех печати, поскольку он влияет на количество и размещение необходимых опор. В целом правильно подобранная и ориентированная решетка является самонесущей, не требующей отдельных опор. Часто конструкцию можно повернуть, чтобы уменьшить количество опор. Подумайте о большой кубической ферме — если ее напечатать прямо на платформе сборки, горизонтальные элементы не будут поддерживаться. Однако если конструкцию просто повернуть на 45 градусов, элементы станут самонесущими.

Повторяющиеся элементарные ячейки решетки открывают двери для бесчисленных размеров, форм и характеристик производительности. Присущая решеткам сложная природа делает их практически невозможными для создания каким-либо иным способом, кроме аддитивного производства.

Если вы никогда раньше не проектировали с помощью решеток, может быть полезно обратиться к эксперту, который поможет вам начать работу. В Fast Radius наша команда специализируется на максимизации общей ценности добавок, от разработки более эффективных продуктов с решетками до повышения эффективности цепочки поставок за счет производства по требованию и виртуального складирования. Чтобы узнать больше о потенциальной ценности добавок или начать разработку продукта для процессов AM, свяжитесь с нами сегодня.

Готовы создавать детали с помощью Fast Radius?

Начать цитату