3D-решетчатые конструкции:принципы проектирования и механическое поведение для передового аддитивного производства

Опубликовано 3 мая 2022 г.

Первоначально опубликовано на fastradius.com 3 мая 2022 г.

Решетчатые структуры представляют собой периодические структуры, которые собираются в сложную трехмерную геометрию. В аддитивном производстве совместимые решетки открывают беспрецедентную свободу проектирования, позволяя инженерам создавать формы, которые ранее были недостижимы.

Изготовленные из эластомеров, эти решетки обладают замечательной деформируемостью. Адаптируя архитектуру, дизайнеры могут точно настроить жесткость, поведение при короблении и поглощение энергии в соответствии с требованиями широкого спектра отраслей.

Создание соответствующих требованиям трехмерных решеток требует как производственного опыта, так и передовых инструментов проектирования. В SyBridge мы разработали и проверили обширную библиотеку эластомерных решеток для множества категорий продуктов, подкрепленную обширными данными моделирования, которые соотносят структуру с механическими характеристиками.

Выбор правильной архитектуры решетки зависит от понимания того, как каждая переменная конструкции влияет на механическую реакцию детали. В следующем руководстве собраны основные элементы дизайна и представлены четыре типичных типа решеток из нашего каталога.

Ключевые элементы дизайна эластомерных 3D-решетчатых конструкций

Проекты эластомерных решеток обычно оценивают следующие основные элементы:

• Геометрия: Пространственная конфигурация стоек и узлов, включая размер, форму и общую топологию элементарной ячейки, напрямую определяет пути нагрузки и режимы деформации.
• Жесткость/модуль: Этот показатель, предназначенный для небольших упругих деформаций, указывает силу, необходимую для достижения заданной деформации, и имеет решающее значение для несущих конструкций.
• Реакция на изгиб: Склонность элементов решетки к короблению под действием сжимающих нагрузок определяет, будет ли конструкция вести себя упруго, иметь плато напряжений или постепенно разрушаться.
• Рассеяние энергии: Способность поглощать и рассеивать механическую энергию во время циклов погрузки и разгрузки делает некоторые решетки идеальными для смягчения ударов или изоляции вибрации.

Примеры типов решетчатой структуры, напечатанной на 3D-принтере

Простая кубическая решетка

Эта решетка имеет элементарную ячейку 7,5 мм и ширину фермы 2 мм, что обеспечивает модуль упругости 0,72 МПа.

Реакция на изгиб: Демонстрирует явную нестабильность устойчивости; после деформации ~0,05 напряжение выходит на плато при 25 кПа, и дальнейшая деформация не увеличивает модуль.

Рассеяние энергии: Неупругое поведение при потере устойчивости создает петлю гистерезиса, что делает его пригодным для применений, требующих поглощения ударов.

Приложения: Эта решетка идеально подходит для средств индивидуальной защиты и в качестве временного слоя, защищающего чувствительные компоненты.

Решетка ячеек Кельвина

Размер элементарной ячейки 10 мм, ширина фермы 2 мм, модуль упругости 0,44 МПа.

Реакция на изгиб: Отсутствие отчетливого плато; балки упруго удлиняются до полного уплотнения, обеспечивая плавную кривую сжатия.

Рассеяние энергии: Эластично сохраняет энергию и быстро возвращается к исходной форме, ведя себя как упругая пружина.

Приложения: Подходит в качестве заменителя пенопласта в изделиях со статическим сжатием, таких как подушки сидений и накладки на тело, а его шестиугольная геометрия обеспечивает эстетическую привлекательность для модных дизайнов.

Телоцентрированная решетка

Размер элементарной ячейки 10 мм, ширина фермы 2 мм, модуль упругости 0,07 МПа.

Реакция на изгиб: Демонстрирует постепенное растяжение с увеличением силы на перемещение до полного уплотнения; плато напряжения не наблюдается.

Рассеяние энергии: Подобно единице измерения Кельвина, он ведет себя как пружина, возвращая форму после нагрузки.

Приложения: Эластичная реакция, обеспечивающая высокую нагрузку, делает его идеальным для замены пенопласта при статическом сжатии, а угловые стойки обеспечивают равномерные механические характеристики.

Телоцентрированная кубическая (BCC) решетка

Эта гибридная структура сочетает в себе телецентрированную и простую кубическую топологии с элементарной ячейкой 7,5 мм и шириной фермы 1 мм. Результирующий модуль составляет 0,23 МПа — выше, чем у простых кубических и объемноцентрированных решеток.

Реакция на изгиб: Решетка BCC наследует коробление от простого кубического компонента, демонстрируя плато при давлении 0,12 МПа, однако ее поведение после потери устойчивости более стабильно.

Рассеяние энергии: Сочетая режимы упругости и устойчивости, решетка BCC позволяет точно настраивать накопление и высвобождение энергии для конкретных случаев использования.

Приложения: Идеально подходит для изделий, требующих индивидуального сочетания эластичной упругости и контролируемого рассеяния энергии, обеспечивая более предсказуемый отклик, чем решетки с чистым изгибом.

Сделайте новые вещи возможными с помощью SyBridge

Четыре решетки, выделенные выше, лишь поверхностно показывают, чего может достичь эластомерная трехмерная конструкция решетки. Если вы готовы приступить к проекту 3D-печати, свяжитесь с нами сегодня и воплотите свой следующий проект в жизнь.