3D-решетчатые структуры:элементы дизайна и механические реакции

Решетчатые структуры представляют собой повторяющиеся узоры, которые при соединении образуют трехмерные фигуры. В контексте аддитивного производства совместимые решетчатые структуры открывают захватывающие возможности для проектирования продуктов, поскольку дизайнеры используют технологии 3D-печати для создания ранее «неизготовимых» форм и деталей. Изготовленные из эластомеров решетчатые структуры, напечатанные на 3D-принтере, обладают высокой деформируемостью, а их механические свойства позволяют настраивать их в широком диапазоне откликов и использовать в самых разных отраслях.

Однако проектирование соответствующих трехмерных решетчатых структур требует производственного опыта, не говоря уже о правильном программном обеспечении. В Fast Radius мы разработали и протестировали решетчатые структуры, напечатанные на 3D-принтере, для широкого спектра различных продуктов и приложений. Мы использовали компьютерное моделирование для создания большой библиотеки данных, классифицирующих различные решетчатые структуры и их механические свойства.

Если вы ищете правильный тип трехмерной решетчатой ​​структуры для своего производственного проекта, очень важно, чтобы вы понимали, как различные элементы конструкции будут влиять на механические характеристики вашей готовой детали. Имея это в виду, чтобы помочь вам изучить потенциал вашего проекта в области аддитивного производства, мы составили краткое руководство по ключевым элементам проектирования трехмерных решеток, а также четыре примера совместимых решетчатых структур, выбранных из нашей библиотеки.

Ключевые элементы конструкции эластомерных трехмерных решетчатых структур

В проектах трехмерной решетчатой ​​структуры из эластомера обычно учитываются некоторые или все из следующих четырех элементов конструкции:

• Геометрия: Геометрия решетки относится к физическому размеру и форме ее компонентов, а также к тому, как их рисунок распределяется по всей структуре детали. Там, где они повторяются, отдельные элементы в структуре решетки называются элементарными ячейками, что указывает на то, что структура решетки основана на клеточных и кристаллических структурах, наблюдаемых в природе.
• Жесткость/модуль: Жесткость или модуль решетки относится к силе, необходимой для деформации ее структуры. Модуль обычно определяется для малых деформаций, когда реакция решетки является полностью упругой.
• Реакция на коробление: Реакция на коробление описывает способ деформации решетчатой ​​конструкции и зависит от структурной нестабильности элементов решетки по мере их деформации. Не все решетчатые конструкции имеют коробление, а коробление не всегда желательно.
• Рассеивание энергии: Рассеивание энергии решетчатой ​​структуры относится к ее способности поглощать энергию во время деформации.

Примеры типов решетчатой ​​структуры, напечатанной на 3D-принтере

Простая кубическая трехмерная решетчатая структура

Эта простая кубическая решетка имеет размер элементарной ячейки 7,5 мм и ширину фермы 2 мм. Модуль равен 0,72 МПа.

Реакция на коробление: Эта структура простой кубической решетки демонстрирует нестабильность потери устойчивости. После деформации около 0,05 модуль остается постоянным на плато напряжения 25 кПа. Дополнительная деформация не увеличивает модуль.

Рассеивание энергии: Простая кубическая решетка характеризуется неупругим изгибом, что приводит к разной реакции при загрузке и разгрузке. Неупругое поведение можно использовать для многих целей, включая рассеяние энергии.

Приложения: Реакция на коробление этой простой кубической решетки обеспечивает порог силы, который делает ее хорошим кандидатом для приложений индивидуальной защиты и для экранирования чувствительных компонентов. Этот тип решетки также эффективен для заполнения зазоров между компонентами в сборках.

Трехмерная решетчатая структура ячейки Кельвина

Эта решетка ячеек Кельвина имеет размер элементарной ячейки 10 мм и ширину фермы 2 мм. Модуль равен 0,44 МПа.

Реакция на коробление: В отличие от простой кубической решетки, структура решетки с ячейками Кельвина имеет низкую точку изгиба, что означает, что ее лучи растягиваются в ответ на силу. Решетка ячеек Кельвина не имеет плато и непрерывно сжимается с простой упругой жесткостью, пока не будет полностью сжата.

Рассеивание энергии: Решетка ячейки Кельвина накапливает энергию благодаря своей упругой деформации и быстро возвращается к исходной форме, как пружина, при снятии силы.

Приложения: Ячеистая решетка Кельвина является хорошим кандидатом на замену пенопласта в изделиях, подвергающихся статическому сжатию, таких как подушки сидений или накладки для тела. Ячеистая решетка Кельвина с ее замысловатыми шестиугольными ячейками выглядит довольно эффектно, что делает ее отличным вариантом для эстетических и модных применений.

Объемно-центрированная трехмерная решетчатая структура

Эта центрированная по телу решетка имеет размер элементарной ячейки 10 мм и ширину фермы 2 мм. Модуль равен 0,07 МПа.

Реакция на коробление: Решетчатая структура с центрированием тела реагирует на растяжение, что означает, что она реагирует с увеличением силы на единицу смещения до полного уплотнения. Его модуль намного ниже по сравнению с простой кубической решеткой, и он не имеет напряжения плато.

Рассеивание энергии: Подобно единице Кельвина, объемно-центрированная решетка накапливает энергию за счет своей упругой деформации и возвращается к своей первоначальной форме, как пружина, когда снимается сила.

Приложения: Решетка Body-Centered с ее высокой эластичностью при деформации является хорошим кандидатом на замену пены в продуктах, подвергающихся статическому сжатию. Наклонные стойки, направленные к центру ячейки, делают ее отклик равномерным и последовательным.

Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) трехмерная решетчатая структура

Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) решетка объединяет объемно-центрированную решетку и простую кубическую решетку в единую структуру. Эта решетка имеет размер элементарной ячейки 7,5 мм и ширину фермы 1 мм. Модуль составляет 0,23 МПа, что выше, чем у простой кубической и объемно-центрированной кубической решеток, перечисленных выше.

Реакция на коробление: Поскольку решетка BCC сочетает в себе два типа 3D-печатной решетки, ее реакция представляет собой комбинацию обоих. Эта решетка изгибается так же, как простая кубическая решетка с плато-напряжением (0,12 МПа), но имеет более стабильное поведение после потери устойчивости.

Рассеивание энергии: Поскольку решетка ОЦК сочетает в себе как упругую реакцию, так и реакцию на коробление, можно настроить накопление и рассеяние энергии для конкретных приложений.

Приложения: Решетка BCC особенно полезна для применений, которые выигрывают от индивидуальной реакции упругости и потери устойчивости. Это также хорошо работает, когда продукту требуется рассеяние энергии с более стабильным откликом, чем чистая деформация, наблюдаемая в простой кубической решетке.

Создавайте новые возможности с помощью Fast Radius

Четыре структуры, выделенные выше, лишь малая часть того, что возможно с эластомерной трехмерной решетчатой ​​структурой. Чтобы узнать больше, изучите наши тематические исследования и узнайте, как такие компании, как Rawlings и Steelcase, создавали инновационные новые продукты с использованием решетчатых структур, напечатанных на 3D-принтере. Если вы готовы начать свой собственный проект 3D-печати, свяжитесь с нами сегодня, и ваш следующий проект станет возможным.

Готовы создавать детали с помощью Fast Radius?

Начать цитату