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

Опубликовано 3 мая 2022 года

Изначально опубликовано на fastradius.com 3 мая 2022 года

Решетчатые структуры — это периодические каркасы, собирающиеся в сложные трехмерные геометрии. В аддитивном производстве гибкие решетки открывают беспрецедентную свободу проектирования, позволяя инженерам создавать формы, которые ранее были недостижимы.

При изготовлении из эластомеров эти решетки демонстрируют замечательную деформируемость. Подбирая архитектуру, конструкторы могут точно настраивать жесткость, поведение при потере устойчивости и поглощение энергии для удовлетворения требований широкого спектра отраслей.

Создание гибких 3D-решеток требует как производственной экспертизы, так и передовых инструментов проектирования. В SyBridge мы спроектировали и проверили комплексную библиотеку эластомерных решеток для множества категорий продуктов, подкрепленную обширными данными симуляции, коррелирующими структуру с механическими характеристиками.

Выбор правильной архитектуры решетки зависит понимания того, как каждая переменная проектирования влияет на механический отклик детали. Нижеприведенное руководство излагает ключевые элементы проектирования и представляет четыре представительных типа решеток из нашего каталога.

Ключевые элементы проектирования эластомерных 3D-решетчатых структур

Проекты эластомерных решеток обычно оценивают следующие основные элементы:

• Геометрия: Пространственная конфигурация стержней и узлов — включая размер, форму элементарной ячейки и общую топологию — напрямую определяет пути нагрузки и режимы деформации.
• Жесткость / Модуль: Определяется для малых упругих деформаций, этот показатель указывает силу, необходимую для достижения заданной деформации, и критичен для несущих применений.
• Отклик при потере устойчивости: Склонность элементов решетки к потере устойчивости под сжатием определяет, будет ли структура вести себя упруго, демонстрировать плато напряжений или постепенно разрушаться.
• Диссипация энергии: Способность поглощать и рассеивать механическую энергию при циклах нагружения и разгружения делает определенные решетки идеальными для амортизации ударов или виброизоляции.

Примеры типов 3D-печатных решетчатых структур

Простая кубическая решетка

Эта решетка имеет элементарную ячейку 7,5 мм и ширину стержня 2 мм, обеспечивая модуль 0,72 МПа.

Отклик при потере устойчивости: Демонстрирует явную нестабильность потери устойчивости; после деформации ~0,05 напряжение достигает плато на уровне 25 кПа, и дальнейшая деформация не увеличивает модуль.

Диссипация энергии: Неупругое поведение при потере устойчивости создает петлю гистерезиса, делая ее подходящей для применений, требующих поглощения ударов.

Применения: Идеальна для средств индивидуальной защиты и в качестве жертвенного слоя, защищающего чувствительные компоненты; также может заполнять промежутки между компонентами в сборках.

Решетка типа Кельвина

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

Отклик при потере устойчивости: Не имеет четкого плато; стержни удлиняются упруго до полной уплотнения, обеспечивая плавную кривую сжатия.

Диссипация энергии: Накапливает энергию упруго и быстро возвращается в исходную форму — ведет себя как упругая пружина.

Применения: Подходит как заменитель пены в изделиях статического сжатия, таких как сиденья и накладки, а ее шестиугольная геометрия предлагает эстетическую привлекательность для дизайнерских изделий.

Объемно-центрированная решетка

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

Отклик при потере устойчивости: Демонстрирует прогрессивное поведение растяжения с возрастающей силой на смещение до полной уплотнения; плато напряжений не наблюдается.

Диссипация энергии: Аналогично ячейке Кельвина, ведет себя как пружина, возвращаясь в форму после нагружения.

Применения: Высокодеформационный упругий отклик делает ее идеальной для замены пены при статическом сжатии, а наклонные стержни обеспечивают равномерные механические характеристики.

Объемно-центрированная кубическая (BCC) решетка

Эта гибридная структура объединяет объемно-центрированную и простую кубическую топологии, с элементарной ячейкой 7,5 мм и шириной стержня 1 мм. Полученный модуль составляет 0,23 МПа — выше, чем у простой кубической и объемно-центрированной решеток по отдельности.

Отклик при потере устойчивости: BCC-решетка наследует потерю устойчивости от компонента простой кубической, показывая плато на 0,12 МПа, однако ее поведение после потери устойчивости более стабильно.

Диссипация энергии: Комбинируя упругие режимы и режимы потери устойчивости, BCC-решетка позволяет точно настраивать накопление и высвобождение энергии для конкретных задач.

Применения: Идеальна для изделий, требующих индивидуального сочетания упругой устойчивости и контролируемой диссипации энергии, предлагая более предсказуемый отклик, чем чистые разрушающиеся решетки.

Делайте новое возможным с SyBridge

Четыре рассмотренные выше решетки лишь приоткрывают поверхность того, чего может достичь проектирование эластомерных 3D-решеток. Если вы готовы приступить к проекту 3D-печати, свяжитесь с нами сегодня и сделайте свой следующий проект реальностью.