Проектирование 3D-решетчатых структур: принципы, механика и применения

Решетчатые структуры — это повторяющиеся узоры, которые, когда соединены, образуют трехмерные формы. В контексте аддитивного производства, комплаенсные решетчатые структуры открывают захватывающие возможности продуктового дизайна, пока дизайнеры используют технологии 3D-печати для создания ранее «непроизводимых» форм и деталей. Когда сделаны из эластомеров, 3D-печатаемые решетчатые структуры высоко деформируемы и их механические свойства позволяют им быть настроенными по широкому диапазону ответов и использоваться в спектре отраслей.

Однако проектирование комплаенсных 3D-решетчатых структур требует производственной экспертизы — не говоря уже о правильных программных инструментах. В Fast Radius мы спроектировали и протестировали 3D-печатаемые решетчатые структуры для огромного диапазона разных продуктов и применений. Мы использовали компьютерную симуляцию для создания большой библиотеки данных, классифицируя разные решетчатые структуры и их механические свойства.

Если вы ищете правильный тип 3D-решетчатой структуры для вашего производственного проекта, жизненно важно понимать, как разные дизайнерские элементы будут влиять на механические отклики вашей готовой детали. С этим в виду, чтобы помочь вам изучить потенциал аддитивного производства вашего проекта, мы собрали краткое руководство по ключевым элементам дизайна 3D-решетки — вместе с четырьмя примерами комплаенсных решетчатых структур, выбранными из нашей библиотеки.

Ключевые дизайнерские элементы для эластомерных 3D-решетчатых структур

Проекты эластомерных 3D-решетчатых структур обычно рассматривают некоторые или все из следующих четырех дизайнерских элементов:

• Геометрия: Геометрия решетки относится к физическому размеру и форме ее компонентов — и как их узор расположен по всей структуре детали. Где они повторяются, отдельные единицы внутри структуры решетки известны коллективно как единичные ячейки — ссылаясь на то, как структура решетки вдохновлена клеточными и кристаллическими структурами, видимыми в природе.
• Жесткость/модуль: Жесткость, или модуль, решетки относится к силе, необходимой для деформации ее структуры. Модуль обычно определяется для малых деформаций, когда ответ решетки полностью эластичен.
• Ответ на изгиб: Ответ на изгиб описывает способ, которым структура решетки поддается, и зависит от структурной нестабильности элементов решетки по мере их деформации. Не все решетчатые структуры демонстрируют изгиб — и изгиб не всегда желательная черта.
• Диссипация энергии: Диссипация энергии структуры решетки относится к ее способности поглощать энергию, пока она деформируется.

Примеры типов 3D-печатаемых решетчатых структур

Простая кубическая 3D-решетчатая структура

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

Ответ на изгиб: Эта структура простой кубической решетки демонстрирует нестабильность изгиба. После деформации около 0,05 модуль становится постоянным на плато напряжения 25 кПа. Дополнительная деформация не увеличивает модуль.

Диссипация энергии: Простая кубическая решетка имеет неэластичное поведение изгиба, которое производит разный ответ при загрузке и разгрузке. Неэластичное поведение может использоваться для многих целей, включая диссипацию энергии.

Применения: Ответ на изгиб этой простой кубической решетки производит порог силы, делая ее хорошим кандидатом для применений личной защиты и экранирования чувствительных компонентов. Этот тип решетки также эффективен для заполнения зазоров между компонентами в сборках.

Ячейка Кельвина 3D-решетчатая структура

Эта решетка ячейки Кельвина имеет размер единичной ячейки 10 мм и ширину фермы 2 мм. Модуль составляет 0,44 МПа.

Ответ на изгиб: В отличие от простой кубической решетки, структура решетки ячейки Кельвина имеет низкую точку изгиба, означающую, что ее балки растягиваются в ответ на силу. Решетка ячейки Кельвина не имеет плато и сжимается непрерывно с простой эластичной жесткостью до полной компактации.

Диссипация энергии: Решетка ячейки Кельвина накапливает энергию с ее эластичной деформацией и быстро возвращается к исходной форме, как пружина, когда сила убрана.

Применения: Решетка ячейки Кельвина хороший кандидат для замены пены в продуктах под статической компрессией, таких как сиденья или накладки для тела. С ее сложными шестиугольными ячейками решетка ячейки Кельвина довольно визуально впечатляющая, делая ее опцией для эстетических и модных применений.

Объемно-центрированная 3D-решетчатая структура

Эта объемно-центрированная решетка имеет размер единичной ячейки 10 мм и ширину фермы 2 мм. Модуль составляет 0,07 МПа.

Ответ на изгиб: Структура объемно-центрированной решетки имеет ответ растяжения, означающий, что она отвечает с увеличивающейся силой на единицу смещения до полной компактации. Ее модуль намного ниже по сравнению с простой кубической решеткой, и у нее нет плато напряжения.

Диссипация энергии: Как единица Кельвина, объемно-центрированная решетка накапливает энергию с эластичной деформацией и возвращается к исходной форме почти как пружина, когда сила убрана.

Применения: С ее высоким эластичным ответом на деформацию, объемно-центрированная решетка хороший кандидат для замены пены в продуктах под статической компрессией. Наклонные стойки, указывающие к центру ячейки, делают ее ответ равномерным и последовательным.

Объемно-центрированная кубическая (BCC) 3D-решетчатая структура

Объемно-центрированная кубическая (BCC) решетка объединяет объемно-центрированную решетку и простую кубическую решетку в одной структуре. Эта решетка имеет размер единичной ячейки 7,5 мм и ширину фермы 1 мм. Модуль составляет 0,23 МПа — что выше, чем простые кубические и объемно-центрированные кубические решетки, перечисленные выше.

Ответ на изгиб: Поскольку BCC решетка объединяет два типа 3D-печатаемых решеток, ее ответ — комбинация обоих. Эта решетка изгибается как простая кубическая решетка с плато напряжения (0,12 МПа) но имеет более стабильное поведение после изгиба.

Диссипация энергии: Потому что BCC решетка объединяет как эластичный, так и изгибающийся ответ, возможно настроить накопление и диссипацию энергии для служения конкретным применениям.

Применения: BCC решетка особенно полезна для применений, выигрывающих от адаптированного эластичного и изгибающегося ответа. Она также хорошо работает, когда продукт требует диссипации энергии с более стабильным ответом, чем чистый изгиб, видимый в простой кубической решетке.

Делайте возможными новые вещи с Fast Radius

Четыре структуры, выделенные выше, лишь царапают поверхность того, что возможно с дизайном эластомерной 3D-решетчатой структуры. Чтобы узнать больше, изучите наши кейсы и узнайте, как компании вроде Rawlings и Steelcase создали инновационные новые продукты, используя 3D-печатаемые решетчатые структуры. Если вы готовы начать свой собственный 3D-печатаемый проект, свяжитесь с нами сегодня и сделайте ваш следующий проект возможным.

Готовы произвести свои детали с Fast Radius?

Начните расчет стоимости