3D-roosterstructuren:ontwerpelementen en mechanische reacties

Roosterstructuren zijn herhalende patronen die, wanneer ze verbonden zijn, driedimensionale vormen vormen. In een additieve productiecontext openen compliante roosterstructuren spannende productontwerpmogelijkheden, aangezien ontwerpers 3D-printtechnologieën gebruiken om voorheen 'onmaakbare' vormen en onderdelen te creëren. Wanneer gemaakt van elastomeren, zijn 3D-geprinte roosterstructuren zeer vervormbaar en dankzij hun mechanische eigenschappen kunnen ze worden afgestemd op een breed scala aan reacties en worden ze gebruikt in een spectrum van industrieën.

Het ontwerpen van conforme 3D-roosterstructuren vereist echter fabricage-expertise - om nog maar te zwijgen van de juiste softwaretools. Bij Fast Radius hebben we 3D-geprinte roosterstructuren ontworpen en getest voor een breed scala aan verschillende producten en toepassingen. We hebben computersimulatie gebruikt om een ​​grote gegevensbibliotheek te creëren, verschillende roosterstructuren en hun mechanische eigenschappen te classificeren.

Als u op zoek bent naar het juiste type 3D-roosterstructuur voor uw productieproject, is het van vitaal belang dat u begrijpt hoe verschillende ontwerpelementen de mechanische reacties van uw voltooide onderdeel zullen beïnvloeden. Met dat in gedachten hebben we, om u te helpen het additieve fabricagepotentieel van uw project te verkennen, een korte handleiding samengesteld voor de belangrijkste 3D-roosterontwerpelementen - samen met vier voorbeelden van conforme roosterstructuren die uit onze bibliotheek zijn geselecteerd.

Belangrijkste ontwerpelementen voor 3D-roosterstructuren van elastomeer

Elastomeer 3D-roosterstructuurprojecten houden gewoonlijk rekening met enkele of alle van de volgende vier ontwerpelementen:

• Geometrie: De geometrie van een rooster verwijst naar de fysieke grootte en vorm van de componenten - en hoe hun patroon is gerangschikt in de structuur van een onderdeel. Waar ze worden herhaald, zijn afzonderlijke eenheden binnen de structuur van een rooster gezamenlijk bekend als eenheidscellen - verwijzend naar de manier waarop een roosterstructuur is geïnspireerd op de cellulaire en kristalstructuren die in de natuur worden gezien.
• Stijfheid/modulus: De stijfheid of modulus van het rooster verwijst naar de kracht die nodig is om de structuur te vervormen. De modulus wordt typisch gedefinieerd voor kleine vervormingen wanneer de roosterrespons volledig elastisch is.
• Knikreactie: De knikreactie beschrijft de manier waarop een roosterstructuur meegeeft, en hangt af van de structurele instabiliteit van roosterelementen als ze vervormen. Niet alle roosterstructuren vertonen knikken – en knikken is niet altijd een wenselijke eigenschap.
• Energieverspilling: De energiedissipatie van een roosterstructuur verwijst naar het vermogen om energie te absorberen terwijl het wordt vervormd.

Voorbeelden van 3D-geprinte roosterstructuur

Eenvoudige kubieke 3D-roosterstructuur

Dit Simple Cubic rooster heeft een eenheidscelmaat van 7,5 mm en een trussbreedte van 2 mm. De modulus is 0,72 MPa.

Knikreactie: Deze structuur van het Simple Cubic-rooster vertoont knikinstabiliteit. Na een rek van ongeveer 0,05 is de modulus constant bij een spanningsplateau van 25 kPa. Extra vervorming verhoogt de modulus niet.

Energieverspilling: Het Simple Cubic-rooster heeft een inelastisch knikgedrag dat een verschillende respons geeft bij het laden en lossen. Het inelastische gedrag kan voor veel doeleinden worden gebruikt, waaronder energiedissipatie.

Toepassingen: De knikrespons van dit Simple Cubic-rooster produceert een krachtdrempel die het een goede kandidaat maakt voor persoonlijke beschermingstoepassingen en voor het afschermen van gevoelige componenten. Dit type rooster is ook effectief voor het opvullen van openingen tussen componenten in assemblages.

Kelvin-cel 3D-roosterstructuur

Dit Kelvin celrooster heeft een eenheidscelmaat van 10 mm en een trosbreedte van 2 mm. De modulus is 0,44 MPa.

Knikreactie: In tegenstelling tot het Simple Cubic-rooster, heeft de Kelvin-celroosterstructuur een laag knikpunt, wat betekent dat de balken uitrekken als reactie op kracht. Het Kelvin-celrooster heeft geen plateau en wordt continu samengedrukt met een eenvoudige elastische stijfheid totdat het volledig is verdicht.

Energieverspilling: Het Kelvin-celrooster slaat energie op met zijn elastische vervorming en keert snel terug naar zijn oorspronkelijke vorm, zoals een veer, wanneer de kracht wordt weggenomen.

Toepassingen: Het Kelvin-celrooster is een goede kandidaat voor het vervangen van schuim in producten onder statische compressie, zoals zitkussens of lichaamskussens. Met zijn ingewikkelde zeshoekige cellen is het Kelvin-celrooster visueel behoorlijk opvallend, waardoor het een optie is voor esthetische en modieuze toepassingen.

Body-Centered 3D-roosterstructuur

Dit Body-Centered rooster heeft een celgrootte van 10 mm en een trosbreedte van 2 mm. De modulus is 0,07 MPa.

Knikreactie: De op het lichaam gerichte roosterstructuur heeft een rekrespons, wat betekent dat deze reageert met toenemende kracht per verplaatsingseenheid totdat deze volledig is verdicht. De modulus is veel lager in vergelijking met het Simple Cubic-rooster en het heeft geen plateauspanning.

Energieverspilling: Net als de Kelvin-eenheid slaat het op het lichaam gerichte rooster energie op met zijn elastische vervorming en keert terug naar zijn oorspronkelijke vorm, net als een veer wanneer de kracht wordt weggenomen.

Toepassingen: Met zijn hoge elastische respons is het Body-Centered rooster een goede kandidaat voor schuimvervanging in producten onder statische compressie. De schuine steunen die naar het midden van de cel wijzen, zorgen voor een gelijkmatige en consistente respons.

Body-Centered Cubic (BCC) 3D-roosterstructuur

Het Body-Centered Cubic (BCC) rooster combineert het Body-Centered rooster en Simple Cubic rooster in een enkele structuur. Dit rooster heeft een eenheidscelmaat 7,5 mm en een trussbreedte van 1 mm. De modulus is 0,23 MPa - wat hoger is dan de hierboven genoemde Simple Cubic en Body-Centered Cubic roosters.

Knikreactie: Omdat het BCC-rooster twee soorten 3D-geprint rooster combineert, is de respons een combinatie van beide. Dit rooster knikt zoals het Simple Cubic rooster met een plateauspanning (0,12 MPa) maar heeft een stabieler post-knikgedrag.

Energieverspilling: Omdat het BCC-rooster zowel een elastische als een knikrespons combineert, is het mogelijk om energieopslag en -dissipatie aan te passen aan specifieke toepassingen.

Toepassingen: Het BCC-rooster is met name handig voor toepassingen die baat hebben bij een op maat gemaakte elastische en knikrespons. Het werkt ook goed wanneer een product energiedissipatie vereist met een stabielere respons dan de pure knik die wordt gezien in het Simple Cubic-rooster.

Maak nieuwe dingen mogelijk met Fast Radius

De vier hierboven gemarkeerde structuren krassen alleen maar op het oppervlak van wat mogelijk is met een elastomeer 3D-roosterstructuurontwerp. Bekijk voor meer informatie onze casestudy's en ontdek hoe bedrijven als Rawlings en Steelcase innovatieve nieuwe producten creëerden met behulp van 3D-geprinte roosterstructuren. Als u klaar bent om uw eigen 3D-printproject te beginnen, neem dan vandaag nog contact met ons op en maak uw volgende project mogelijk.

Klaar om uw onderdelen te maken met Fast Radius?