Maximaliseer geluid- en schokabsorptie met 3D-geprinte roosterstructuren

Door Tristan Antonsen, Application Engineer, Fast Radius

Roosters zijn driedimensionale structuren die bestaan uit een serie herhalende eenheidscellen gecreëerd door een patroon van kruisende balken en knopen. Deze micro-architecturen hebben in recente jaren populariteit opgebouwd om een aantal redenen, inclusief hun vermogen om de productie van lichtgewicht onderdelen mogelijk te maken die vergelijkbare materiaalkenmerken en structurele integriteit hebben als legacy componenten — en vaak met minder overbodig materiaal. Roosters worden ook ingezet om impact, geluid te absorberen en trillingen te dempen, omdat ze lage stijfheid kunnen hebben en de capaciteit om spanningen te dragen en ervan te herstellen.

Dit heeft misschien verrassende real-world toepassingen. Geïmpliceerd door wat onze partners bij Carbon bereiken met hun pionerende Digital Light Synthesis™ technologie, benaderde sportreus Adidas ons om een tussenzool voor sportieve schoenen te ontwerpen die de hoge impactabsorptie van roosters integreert. De materiaaleisen stelden een uitdaging: de zool moest veerkrachtig en flexibel zijn, om een uitstekende terugkaatsing te bieden en schok op het lichaam van de atleet te minimaliseren. Carbons technologie stond de uitdaging — het resultaat is de verbluffende, hoogpresterende Adidas Futurecraft 4D tussenzool, die uitzonderlijke impactabsorptie biedt bij klein componentvolume.

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

Alles over roosters

In het algemeen maakt de kleine grootte en complexe geometrie van roosters ze moeilijk te creëren via traditionele subtractieve productiemethoden; roosters worden daarom typisch geproduceerd via 3D-printprocessen.

Een sleutelvoordeel van ontwerpen voor additieve productie is dat het productmanagers in staat stelt een invers ontwerpproces te implementeren, wat betekent dat ze optimale materiaalkenmerken kunnen ontwerpen om de gegeven toepassing te passen in plaats van te zoeken naar een geschikt materiaal dat al bestaat.

Sommige materialen zijn inherent beter in het dissipateren van energie — EPU 40 is een betere trillingsdemping materiaal dan EPU 41, bijvoorbeeld — en het kiezen van een materiaal dat past bij de vereiste kenmerken van de onderdeeltoepassingen stelt fabrikanten in staat om de impactabsorptie van hun componenten te verhogen.

Terwijl materiaalkeuze een significante rol speelt in de capaciteit van een rooster om trillingen te dempen en energie te dissipateren, heeft het ontwerp van de rooster, in de meeste gevallen, een nog groter effect op het dempingseffect van een onderdeel. Op macroniveau worden roosterstructuren typisch ontworpen om bij impact te buigen of te knikken. Buigende roosters zijn zeer elastisch en veerkrachtig, terwijl knikkende roosters individuele balken laten weggeven en buigen, wat extreem effectief is bij het dissipateren van energie. Vrije laag demping behandelingen kunnen ook op onderdelen toegepast worden.

Op granulair niveau heten het herhalende patroon van balken en knopen dat de rooster vormt de eenheidscellen. Er is een enorm aantal potentiële combinaties van knopen en balken, maar open, dunne eenheidscellen creëren typisch zachte roosters, terwijl eenheidscellen met een hogere concentratie driehoeken en balken over het algemeen rigide structuren creëren.

Celtype, grootte en oriëntatie hebben een direct effect op de materiaaldempingsratio van een rooster, en veranderingen in de relatieve dikte van de balken vergeleken met de eenheidscelgrootte zullen ertoe leiden dat de rooster drastisch anders gedrag vertont — wat allemaal in overweging genomen moet worden om impactabsorptie en energiedissipatie te maximaliseren.

Roosters ontwerpen voor productie

Terwijl additieve methoden fabrikanten in staat hebben gesteld om dingen te creëren die eerder niet mogelijk waren, moeten roosters nog goed ontworpen zijn om effectief hun beoogde functies te vervullen. Door design for additive manufacturing (DFAM) principes te incorporeren, kunnen ingenieurs helpen de specifieke eigenschappen van het 3D-printproces te gebruiken om te waarborgen dat hun roosterstructuren maximaal effectief zijn bij het absorberen van impact, geluid en trilling.

Twee belangrijke DFAM-overwegingen zijn de structuur en oriëntatie van de eenheidscellen van een rooster. De rooster moet allereerst printbaar zijn. Dit omvat factoren zoals printproces, printoriëntatie en soms ondersteuningsstructuren in het ontwerp om de levensvatbaarheid van het onderdeel te waarborgen.

Roosterceloriëntatie creëert inherent anisotrope onderdelen, wat betekent dat de componenten zich in de ene richting anders gedragen dan in de andere. Dit is niet noodzakelijk een nadeel — als een rooster zich in één richting moet gedragen (zoals het geval is met knikkende roosters) moeten productmanagers ervoor zorgen dat de celoriëntatie van de structuur correct in die richting uitgelijnd is.

Wanneer correct geïmplementeerd, stelt DFAM fabrikanten in staat om de beperkingen van legacy productiemethoden te omzeilen en volledig nieuwe dingen mogelijk te maken. In veel gevallen zijn additief geproduceerde onderdelen die roosterstructuren incorporeren van vergelijkbare, zo niet superieure, kwaliteit dan onderdelen gecreëerd via legacy processen.

Ontdek hoe Fast Radius innovatie in productie drijft

Roosterstructuren zijn een veelzijdige en effectieve methode om onderdelen te creëren die impact, geluid en trilling absorberen en dissipateren. De sleuteloverwegingen in roosterontwerp omvatten het duidelijk definiëren van eisen vooraf, het selecteren van geschikte materialen op basis van deze eisen en de gewenste functionaliteit van de rooster, en het architecten van de structuur van de rooster dienovereenkomstig. Het kiezen van het beste materiaal voor trillingsdemping op basis van vereiste prestatiekenmerken is de ideale beginplaats, aangezien dit zal helpen de energiedissipatie- en impactabsorptiemogelijkheden van het onderdeel te maximaliseren.

Fast Radius is toegewijd aan het gebruik van cutting-edge technologieën, alsook bewezen methoden, om elke productie efficiënter en effectiever te maken. We werken met elk van onze klanten om onderdelen te optimaliseren voor ontwerp en fabricagebaarheid, omdat we trots zijn op het leveren van superieure kwaliteit componenten op tijd en tegen competitieve prijzen. Neem vandaag nog contact met ons op om te ontdekken hoe we u kunnen assisteren.