3D-geprinte roosters gebruiken om de geluids- en schokabsorptie te maximaliseren

Door Tristan Antonsen, Application Engineer, Fast Radius

Roosters zijn driedimensionale structuren die bestaan ​​uit een reeks herhalende eenheidscellen die zijn gecreëerd door een patroon van elkaar kruisende balken en knopen. Deze micro-architecturen zijn de afgelopen jaren om een ​​aantal redenen aan populariteit gewonnen, waaronder hun vermogen om de productie mogelijk te maken van lichtgewicht onderdelen met vergelijkbare materiaalkenmerken en structurele integriteit als oudere componenten - en vaak met minder overtollig materiaal. Roosters worden ook gebruikt om impact, geluid en vochtige trillingen te absorberen, omdat ze een lage stijfheid kunnen hebben en het vermogen om spanningen te dragen en te herstellen.

Dit heeft een aantal misschien verrassende toepassingen in de echte wereld. Onder de indruk van wat onze partners bij Carbon bereiken met hun baanbrekende Digital Light Synthesis ™ -technologie, heeft sportkledinggigant Adidas een tussenzool voor sportschoenen ontworpen met de hoge impactabsorptie die roosters bieden. De materiaalvereisten vormden een uitdaging:de zool moest veerkrachtig en flexibel zijn, een uitstekende terugvering bieden en schokken op het lichaam van de atleet minimaliseren. De technologie van Carbon ging de uitdaging aan - het resultaat is de verbluffende, hoogwaardige Adidas Futurecraft 4D-middenzool, die uitzonderlijke schokabsorptie biedt bij een klein componentvolume.

Dit is wat productmanagers moeten weten over hoe roosters kunnen worden gebruikt om maximale trillingsdemping en energiedemping te bieden.

Alles over roosters

In het algemeen maakt het kleine formaat en de complexe geometrie van roosters ze moeilijk te maken door middel van traditionele subtractieve fabricagemethoden; roosters worden daarom meestal geproduceerd via 3D-printprocessen.

Een belangrijk voordeel van ontwerpen voor additive manufacturing is dat het productmanagers in staat stelt een omgekeerd ontwerpproces te implementeren, wat betekent dat ze optimale materiaaleigenschappen kunnen ontwerpen die passen bij de gegeven toepassing in plaats van te proberen een geschikt materiaal te vinden dat al bestaat.

Sommige materialen zijn van nature beter in het afvoeren van energie - EPU 40 is bijvoorbeeld een beter trillingsdempend materiaal dan EPU 41 - en door een materiaal te kiezen dat overeenkomt met de vereiste kenmerken van de onderdeeltoepassingen, kunnen fabrikanten de impactabsorptie van hun componenten vergroten.

Hoewel de materiaalkeuze een belangrijke rol speelt in het vermogen van een rooster om trillingen te dempen en energie af te voeren, heeft het ontwerp van het rooster in de meeste gevallen een groter effect op het dempende effect van een onderdeel. Op macroniveau zijn roosterstructuren typisch ontworpen om te buigen of te knikken bij een botsing. Buigroosters zijn zeer elastisch en veerkrachtig, terwijl knikroosters ervoor zorgen dat individuele balken kunnen weggeven en buigen, wat uiterst effectief is in het afvoeren van energie. Vrije laagdempende behandelingen kunnen ook op onderdelen worden toegepast.

Op granulair niveau wordt het zich herhalende patroon van balken en knopen waaruit het rooster bestaat, de eenheidscellen genoemd. Er is een enorm aantal mogelijke combinaties van knopen en balken, maar open, schaarse eenheidscellen creëren typisch zachte roosters, terwijl eenheidscellen met een hogere concentratie van driehoeken en balken over het algemeen stijve structuren creëren.

Celtype, grootte en oriëntatie hebben een direct effect op de materiaaldempingsverhouding van een rooster, en veranderingen in de relatieve dikte van de balken in vergelijking met de grootte van de celeenheid zullen ervoor zorgen dat het rooster ook drastisch ander gedrag vertoont - alle waarmee rekening moet worden gehouden om de impactabsorptie en energiedissipatie te maximaliseren.

Het ontwerpen van roosters voor productie

Hoewel additieve methoden fabrikanten in staat hebben gesteld dingen te creëren die voorheen niet mogelijk waren, moeten roosters nog steeds goed worden ontworpen om hun beoogde functies effectief te vervullen. Door de principes van ontwerp voor additieve fabricage (DFAM) op te nemen, kunnen ingenieurs helpen de specifieke eigenschappen van het 3D-printproces te gebruiken om ervoor te zorgen dat hun roosterstructuren maximaal effectief zijn in het absorberen van impact, geluid en trillingen.

Twee belangrijke DFAM-overwegingen zijn de structuur en oriëntatie van de eenheidscellen van een rooster. Het rooster moet eerst en vooral bedrukbaar zijn. Dit omvat het meenemen van overwegingen zoals het afdrukproces, afdrukoriëntatie en soms ondersteunende structuren in het ontwerp om de levensvatbaarheid van het onderdeel te garanderen.

De oriëntatie van roostercellen creëert inherent anisotrope delen, wat betekent dat de componenten zich in de ene richting anders gedragen dan in de andere. Dit is echter niet per se een nadeel - als een rooster zich in één richting moet gedragen (zoals het geval is bij knikroosters), moeten productmanagers ervoor zorgen dat de celoriëntatie van de structuur goed in die richting is uitgelijnd.

Mits goed geïmplementeerd, stelt DFAM fabrikanten in staat om de beperkingen van de legacy productiemethoden te omzeilen en volledig nieuwe dingen mogelijk te maken. In veel gevallen zijn additief geproduceerde onderdelen met roosterstructuren van vergelijkbare, zo niet superieure kwaliteit als onderdelen die zijn gemaakt via legacy-processen.

Ontdek hoe Fast Radius innovatie in productie stimuleert

Roosterstructuren zijn een veelzijdige en effectieve methode om onderdelen te maken die impact, geluid en trillingen absorberen en dissiperen. De belangrijkste overwegingen bij het ontwerp van het rooster zijn het vooraf duidelijk definiëren van vereisten, het selecteren van geschikte materialen op basis van deze vereisten en de gewenste functionaliteit van het rooster, en het dienovereenkomstig ontwerpen van de structuur van het rooster. Het kiezen van het beste materiaal voor trillingsdemping op basis van de vereiste prestatiekenmerken is de ideale plek om te beginnen, omdat dit zal helpen de energiedissipatie en impactabsorptie van het onderdeel te maximaliseren.

Fast Radius zet zich in voor het gebruik van geavanceerde technologieën, evenals beproefde methoden, om elke productie efficiënter en effectiever te maken. We werken samen met al onze klanten om onderdelen te optimaliseren voor ontwerp en maakbaarheid, omdat we trots zijn op het tijdig en tegen concurrerende prijzen leveren van componenten van superieure kwaliteit. Neem vandaag nog contact met ons op om erachter te komen hoe we u kunnen helpen.