Inzicht in 3D-geprinte roosters:overwegingen over eigenschappen, prestaties en ontwerp

Additive manufacturing (AM)-processen stellen ingenieurs in staat om de mogelijkheden van roosterstructuren te ontsluiten om de prestaties van hun producten te verbeteren. Roosters zijn twee- of driedimensionale micro-architecturen die bestaan ​​uit een netwerk van knopen en balken, of stutten, die het gewicht drastisch verminderen en de structurele integriteit behouden.

Er zijn talloze soorten roosters beschikbaar

Er zijn talloze soorten roosters beschikbaar met unieke kenmerken (vormen van vervorming, materiaalefficiëntie, enz.) en esthetiek. Veel van deze roosterstructuren zijn geïnspireerd op natuurlijk voorkomende kristallijne structuren. En vanwege hun inherent kleine kenmerken zijn roosters moeilijk - of bijna onmogelijk - te maken met behulp van verouderde productiemethoden.

Door roosterstructuren op te nemen, kunnen ingenieurs meer van de ontwerpruimte verkennen door de gewenste prestaties van hun onderdeel te heroverwegen.

Door traliewerktechnieken kan de totale massa van het onderdeel met 90% of meer worden verminderd door de roosterparameters nauwkeurig af te stemmen op de fysieke belasting van het onderdeel.

Mechanische voordelen

De voordelen van roosters zijn door de tijd heen bekend. Als je goed kijkt, zie je roosters in de natuur (zoals bot, metaalkristallografie, enz.) evenals moderne architectuur. Neem het voorbeeld van de Eiffeltoren:de metalen structuur van de toren ondersteunt efficiënt zijn gewicht als het in de lucht reikt. Net als een eenvoudig rooster, is deze zelfdragende structuur qua volume, meestal lucht. De hoge sterkte-gewichtsverhouding die mogelijk is met roosters maakte deze geweldige architecturale prestatie mogelijk.

Evenzo stellen de mechanische voordelen van roosters (bijv. groot oppervlak, uitstekende schokabsorptie, schokbescherming) bij productontwerp de productontwerpers in staat om de beperkingen van traditionele productie te trotseren om nieuwe — en vaak beter presterende — producten te creëren.

Goede sterkte-gewichtsverhouding

Er zijn over het algemeen twee manieren om de sterkte-gewichtsverhouding van een bepaald onderdeel te verbeteren. Door middel van traditionele productie wordt dit bereikt door materialen in niet-kritieke gebieden te verminderen om het materiaalgebruik te optimaliseren. Door traliewerk kunt u materiaal verwijderen in de kritieke delen van het onderdeel. Hoewel traliewerk de algehele sterkte van het onderdeel vermindert, kunnen de gewichtsbesparingen deze sterkte-gewichtsverhouding verbeteren.

Hoge oppervlakte

Roosters zijn niet alleen licht van gewicht, maar ze ontsluiten een groot oppervlak - een belangrijk voordeel voor producten die warmte-uitwisseling en chemische reacties vergemakkelijken.

Denk aan warmtewisselaars die worden gebruikt in computers in servers en datacenters. Meestal worden de prestaties van de processor beperkt door de hoeveelheid geproduceerde warmte. Het doel is om de warmte van de chip te verwijderen en deze in de atmosfeer te verdrijven, meestal met behulp van een ventilator. De algehele efficiëntie van dit systeem is gekoppeld aan de hoeveelheid oppervlakte op het koellichaam (het stuk metaal dat warmte wegtrekt van de chip). Roosters kunnen de hoeveelheid beschikbare oppervlakte drastisch vergroten of, als alternatief, die hoeveelheid oppervlakte goedkoper produceren door complexe gereedschapsprocedures te vermijden. Deze efficiëntiewinst kan zelfs worden gerealiseerd bij veel verschillende soorten warmtewisselaartoepassingen, waar kleine functies met grote oppervlakten moeilijk of bijna onmogelijk te maken zijn zonder additieve fabricage.

Uitstekende schokabsorptie en schokbescherming

Roosters kunnen ook helpen bij het beschermen van producten tegen vallen of botsingen door impactenergie beter te absorberen. Roosters kunnen ofwel worden geïntegreerd in een product, zoals een voetbalhelm, om de impactbelasting te verminderen of worden gebruikt als een opofferingsfunctie om de kritieke componenten van een product te beschermen. Een rooster kan bijvoorbeeld worden gebruikt rond of in elektronische componenten om het te beschermen tegen een dynamische gebeurtenis, zoals een al te vaak voorkomende val.

Gewenste trillings- en geluidsdemping

Additief vervaardigde roosters bieden ingenieurs ook een nieuwe manier om mechanische ruis, zoals trillingen, te elimineren, wat ongemakkelijk kan zijn voor gebruikers en zelfs de prestaties van de machine kan verminderen.

Roosters zijn effectief in het dempen van trillingen vanwege hun lage stijfheid en het vermogen om grote spanningen te weerstaan ​​en te herstellen. Roosters kunnen bijvoorbeeld worden geïntegreerd in een isolerend kussen op zware apparatuur om de hoeveelheid energie die naar het productiesysteem gaat, te verminderen. Dankzij de afstembare aard van roosters kunnen ingenieurs ontwerpen verfijnen zodat ze passen bij hun specifieke toepassing.

Ontgrendel het potentieel van roosters door de DFAM-principes na te leven

Het is waar dat additieve productie veel nieuwe productmogelijkheden kan bieden, maar er zijn ontwerpfactoren waarmee u rekening moet houden voordat u een functioneel rooster afdrukt. Dit is waar Design for Additive Manufacturing (DFAM) om de hoek komt kijken. DFAM helpt ontwerpingenieurs om ervoor te zorgen dat hun geprinte onderdelen overeenkomen met de ontwerpintentie.

Enkele belangrijke DFAM-overwegingen zijn onder meer roostercelstructuur, celgrootte en -dichtheid, materiaalkeuze en celoriëntatie.

• Celstructuur
  Er is een breed scala aan celstructuren, die de herhaalde eenheid in een rooster zijn. De lijst met celstructuren is erg lang en wordt steeds groter. De meest voorkomende celstructuren zijn onder meer kubisch, ster, octet, hexagonaal, diamant en tetraëder, om er maar een paar te noemen. Celstructuren kunnen worden afgestemd en zelfs gemengd om de gewenste respons voor uw systeem te krijgen, maar uw selectie heeft implicaties. Sommige constructies zijn efficiënter (hogere stijfheid-gewichtsverhoudingen), andere dempen de energie beter en sommige zijn wat esthetischer. De sterke punten en voordelen moeten tegen elkaar worden afgewogen om de juiste keuze voor uw deel te maken.
• Celgrootte en dichtheid
  Celgrootte en -dichtheid verwijzen naar de grootte van een individuele eenheidscel en het aantal cellen dat binnen een ruimte wordt herhaald. De celgrootte zelf hangt af van de dikte en lengte van de leden en verbindende knooppunten. Grotere cellen kunnen gemakkelijker te printen zijn, maar kunnen ook stijver werken; evenzo zorgen kleinere cellen voor meer homogene systeemreacties, maar worden beperkt door de grootte van de kenmerken.

• Materiaalselectie
  Het door u gekozen materiaal kan bepalen welke roostereigenschappen mogelijk zijn. Elastomere of zachte materialen vereisen over het algemeen een kleinere en dichtere celpopulatie om doorzakken tijdens het printen te verminderen. Als alternatief bieden roosters die zijn bedrukt met een stijver materiaal over het algemeen een groter ontwerpbereik met dunnere onderdelen en grotere celafmetingen.
• Celoriëntatie
  De hoek waarin een cel wordt afgedrukt, kan het succes van een afdruk beïnvloeden, omdat dit van invloed is op het aantal en de plaatsing van de vereiste ondersteuningen. Over het algemeen is een goed gekozen en georiënteerd rooster zelfdragend, waarvoor geen afzonderlijke ondersteuningen nodig zijn. Vaak kan een structuur worden geroteerd om ondersteuningen te verminderen. Denk aan een grote kubieke truss - als deze rechtstreeks op het bouwplatform wordt afgedrukt, worden horizontale leden niet ondersteund. Als de structuur echter gewoon 45 graden wordt gedraaid, zijn de leden nu zelfdragend.

De herhaalde eenheidscellen van een rooster openen de deur voor talloze maten, vormen en prestatiekenmerken. De inherente complexe aard van roosters maakt het bijna onmogelijk om ze op een andere manier te creëren dan additieve fabricage.

Als je nog nooit met roosters hebt ontworpen, kan het goed zijn om een ​​expert in te schakelen die je op weg kan helpen. Bij Fast Radius is ons team gespecialiseerd in het maximaliseren van de totale waarde van additieven, van het ontwikkelen van beter presterende producten met roosters tot het stimuleren van de efficiëntie van de toeleveringsketen via on-demand productie en virtuele opslag. Neem vandaag nog contact met ons op voor meer informatie over de potentiële waarde van additieven, of om te beginnen met het ontwerpen van een product voor AM-processen.

Klaar om uw onderdelen te maken met Fast Radius?