Освоение 3D-печатных решетчатых структур: дизайн, свойства и производительность

Процессы аддитивного производства (AM) позволяют инженерам раскрыть возможности решетчатых структур для улучшения характеристик их продуктов. Решетки — это двух- или трехмерные микро-архитектуры, состоящие из сети узлов и балок или стержней, которые резко снижают вес и сохраняют структурную целостность.

Существует множество типов решеток

Существует множество типов решеток, имеющих уникальные характеристики (режимы деформации, материальная эффективность и т.д.) и эстетику. Многие из этих решетчатых структур вдохновлены естественно возникающими кристаллическими структурами. И из-за их невероятно малых элементов решетки трудно — или практически невозможно — создать традиционными методами производства.

Внедрение решетчатых структур позволяет инженерам исследовать больше пространства дизайна, переосмысляя желаемую производительность их детали.

С помощью техник решетчивания общая масса детали может быть снижена на 90% или более путем точной настройки параметров решетки под физические нагрузки на деталь.

Механические преимущества

Преимущества решеток хорошо известны на протяжении веков. Если посмотреть достаточно внимательно, вы увидите решетки в природе (кости, кристаллиография металлов и т.д.), а также в современной архитектуре. Возьмем пример Эйфелевой башни: металлическая конструкция башни эффективно поддерживает свой вес, устремляясь в небо. Подобно простой решетке, эта самоподдерживающаяся конструкция по объему состоит в основном из воздуха. Высокое отношение прочности к весу, возможное с решетками, сделало возможным это огромное архитектурное достижение.

Аналогично, в дизайне продуктов механические преимущества решеток (высокая площадь поверхности, отличное поглощение ударов, защита от ударов) позволяют дизайнерам продуктов нарушать ограничения традиционного производства, создавая новые — и часто более высокопроизводительные — продукты.

Хорошее отношение прочности к весу

Обычно есть два пути улучшения отношения прочности к весу заданной детали. Через традиционное производство это достигается за счет уменьшения материала в некритических областях для оптимизации использования материала. Через решетчивание вы можете удалять материал в критических областях детали. Хотя решетчивание снижает общую прочность детали, экономия веса может улучшить это отношение прочности к весу.

Высокая площадь поверхности

Решетки не только легкие, но и раскрывают большую площадь поверхности — ключевое преимущество для продуктов, обеспечивающих теплообмен и химические реакции.

Рассмотрите теплообменники, используемые в компьютерах серверов и центрах обработки данных. Обычно производительность процессора ограничивается количеством выделяемого тепла. Цель — убрать тепло с чипа и выбросить его в атмосферу, обычно с помощью вентилятора. Общая эффективность этой системы связана с площадью поверхности радиатора (куска металла, отводящего тепло от чипа). Решетки могут резко увеличить доступную площадь поверхности или, альтернативно, создать такое количество площади поверхности дешевле, избегая сложных инструментальных процедур. Фактически, этот выигрыш в эффективности можно реализовать во многих типах применений теплообменников, где малые элементы с большими площадями поверхности трудно или практически невозможно создать без аддитивного производства.

Отличное поглощение ударов и защита от ударов

Решетки также могут помогать в защите продуктов от падений или столкновений за счет лучшего поглощения энергии удара. Решетки могут быть интегрированы в продукт — например, в футбольный шлем — для снижения ударного напряжения или использоваться как жертвенная функция для защиты критических компонентов продукта. Решетка может, например, использоваться вокруг или внутри электронных компонентов для защиты от динамического события, такого как все слишком частое случайное падение.

Желаемое демпфирование вибраций и шума

Аддитивно произведенные решетки также дают инженерам новый способ устранения механического шума — таких как вибрации — которые могут быть некомфортны для пользователей и даже снижать производительность машин.

Решетки эффективны в демпфировании вибраций благодаря своей низкой жесткости и способности выдерживать и восстанавливаться после больших деформаций. Решетки могут, например, быть интегрированы в изолирующую прокладку на тяжелом оборудовании для снижения количества энергии, поступающей в производственную систему. Настраиваемая природа решеток позволяет инженерам уточнять дизайны под их конкретное применение.

Раскройте потенциал решеток, следуя принципам DFAM

Правда в том, что аддитивное производство может открыть множество новых возможностей для продуктов, но есть факторы дизайна, которые нужно признать перед печатью функциональной решетки. Вот где вступает в дело дизайн для аддитивного производства (DFAM). DFAM помогает инженерам-конструкторам обеспечить соответствие их печатаемых деталей дизайнерскому замыслу.

Некоторые важные соображения DFAM включают структуру ячейки решетки, размер и плотность ячейки, выбор материала и ориентацию ячейки.

• Структура ячейки
  Существует огромный набор структур ячеек, которые являются повторяющейся единицей в решетке. Список структур ячеек очень длинный и постоянно растет. Наиболее распространенные структуры ячеек включают кубическую, звездную, октаэдрическую, гексагональную, алмазную и тетраэдрическую, чтобы назвать несколько. Структуры ячеек можно настраивать и даже смешивать, чтобы получить желаемый ответ для вашей системы, но ваш выбор имеет последствия. Некоторые структуры более эффективны (более высокие соотношения жесткости к весу), другие лучше демпфируют энергию, а некоторые немного более эстетично приятны. Сильные и слабые стороны нужно взвешивать друг против друга, чтобы сделать правильный выбор для вашей детали.
• Размер и плотность ячейки
  Размер и плотность ячейки относятся к размеру отдельной единичной ячейки и количеству ячеек, повторяющихся в пространстве. Сама величина ячейки зависит от толщины и длины ее элементов и соединительных узлов. Более крупные ячейки могут быть легче печатать, но также могут вести себя жестче; аналогично, более мелкие ячейки позволяют более гомогенным системным ответам, но ограничены размерами элементов.

• Выбор материала
  Ваш выбранный материал может определить, какие свойства решетки возможны. Эластомерные или мягкие материалы обычно требуют более мелкого и плотного населения ячеек для снижения провиса при печати. Альтернативно, решетки, напечатанные с более жестким материалом, обычно позволяют более широкий диапазон дизайна с более тонкими элементами и более крупными размерами ячеек.
• Ориентация ячейки
  Угол, под которым печатается ячейка, может влиять на успех печати, потому что он влияет на количество и размещение необходимых поддерживающих структур. В общем, хорошо выбранная и ориентированная решетка является самоподдерживающейся, что не требует отдельных поддерживающих структур. Часто структуру можно повернуть, чтобы снизить поддерживающие структуры. Подумайте о большой кубической ферме — если печатать прямо на строительной платформе, горизонтальные элементы будут неподдерживаемыми. Однако, если структура просто повернута на 45 градусов, элементы становятся самоподдерживающимися.

Повторяющиеся единичные ячейки решетки открывают дверь для бесчисленных размеров, форм и атрибутов производительности. Врожденная сложная природа решеток делает их практически невозможными для создания любым другим способом, кроме аддитивного производства.

Если вы никогда не проектировали с решетками, может быть хорошо обратиться к эксперту, который поможет вам начать. В Fast Radius наша команда специализируется на максимизации общей ценности аддитивного производства, от разработки более высокопроизводительных продуктов с решетками до повышения эффективности цепочки поставок через по запросу производство и виртуальное хранение. Чтобы узнать больше о потенциальной ценности аддитивного — или начать проектировать продукт для AM-процессов — обратитесь к нам сегодня.

Готовы сделать ваши детали с Fast Radius?

Начните расчет стоимости