3D-geprinte roosterstructuren onder de loep: ontwerp, eigenschappen en prestatie-inzichten

Additieve productieprocessen (AM) stellen ingenieurs in staat de mogelijkheden van roosterstructuren te ontsluiten om de prestaties van hun producten te verbeteren. Roosters zijn twee- of driedimensionale micro-architecturen bestaande uit een netwerk van knopen en balken, of staven, die het gewicht aanzienlijk verminderen en structurele integriteit behouden.

Er is een overvloed aan roostertypen beschikbaar

Er is een overvloed aan roostertypen beschikbaar die unieke kenmerken (vormen van deformatie, materiaalefficiëntie, etc.) en esthetiek hebben. Veel van deze roosterstructuren zijn geïnspireerd op naturellijk voorkomende kristallijne structuren. En vanwege hun inherent kleine kenmerken zijn roosters moeilijk – of bijna onmogelijk – te creëren door traditionele productiemethoden.

Incorporatie van roosterstructuren stelt ingenieurs in staat om meer van de ontwerpruimte te verkennen door de gewenste prestaties van hun onderdeel nadenken.

Door roostertechnieken kan de totale onderdeelmassa met 90% of meer worden verminderd door de roosterparameters precies af te stemmen op de fysieke belasting op het onderdeel.

Mechanische voordelen

De voordelen van roosters zijn door de tijd heen bekend. Als u genoeg nadert, ziet u roosters in de natuur (zoals bot, metaalkristallografie, etc.) alsmede in moderne architectuur. Neem het Eiffeltorenenvoorbeeld: De metalen structuur van de toren ondersteunt efficiënt haar gewicht terwijl hij de hemel in reikt. Vergelijkbaar met een eenvoudig rooster, is deze zelfondersteunende structuur per volume grotendeels lucht. De hoge sterkte-gewichtsverhouding die met roosters mogelijk is, maakte deze enorm architecturale prestatie mogelijk.

Vergelijkbaar in productontwerp, maken de mechanische voordelen van roosters (bijv. hoog oppervlak, uitstekende schokabsorptie, impactbescherming) het productontwerpers mogelijk om de beperkingen van traditionele productie te trotseren om nieuwe – en vaak hoger presterende – producten te creëren.

Goede sterkte-gewichtsverhouding

Er zijn doorgaans twee paden om de sterkte-gewichtsverhouding van een gegeven onderdeel te verbeteren. Door traditionele productie wordt dit bereikt door materiaal in niet-kritieke gebieden te verminderen om het materiaalgebruik te optimaliseren. Door roosteren kunt u materiaal in de kritieke gebieden van het onderdeel verwijderen. Hoewel roosteren de algehele sterkte van het onderdeel vermindert, kan de gewichtsbesparing deze sterkte-gewichtsverhouding verbeteren.

Hoog oppervlak

Roosters zijn niet alleen lichtgewicht, ze ontgrendelen een grote hoeveelheid oppervlak – een sleutelvoordeel voor producten die warmte-uitwisseling en chemische reacties faciliteren.

Overweeg warmtewisselaars die in computers in servers en datacenters worden gebruikt. Doorgaans wordt de prestatie van de processor beperkt door de hoeveelheid warmte die geproduceerd wordt. Het doel is de warmte van de chip te verwijderen en in de atmosfeer te blazen, meestal geholpen door een ventilator. De algehele efficiëntie van dit systeem is gekoppeld aan de hoeveelheid oppervlak op de warmte-afvoer (het metaalstuk dat warmte van de chip afvoert). Roosters kunnen de hoeveelheid beschikbaar oppervlak aanzienlijk verhogen of, alternatief, die hoeveelheid oppervlak betaalbaarder produceren door complexe gereedschapprocedures te vermijden. Feitelijk kan deze efficiëntiewinst gerealiseerd worden op veel verschillende typen warmtewisselaar-toepassingen, waar kleine kenmerken met grote oppervlakken moeilijk of bijna onmogelijk te creëren zijn zonder additieve productie.

Uitstekende schokabsorptie en impactbescherming

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

Gewenste trilling- en geluiddemping

Additief geproduceerde roosters geven ingenieurs ook een nieuwe manier om mechanisch geluid – zoals trillingen – te elimineren – wat oncomfortabel kan zijn voor gebruikers en zelfs machineprestaties kan degraderen.

Roosters zijn effectief in het dempen van trillingen vanwege hun lage stijfheden en vermogen om grote vervormingen te weerstaan en te herstellen. Roosters kunnen bijvoorbeeld geïntegreerd worden in een isolerende mat op zware apparatuur om de hoeveelheid energie die in het productiesysteem gaat, te verminderen. De afstemmbare aard van roosters stelt ingenieurs in staat om ontwerpen te verfijnen om hun specifieke toepassing te matchen.

Ontgrendel het potentieel van roosters door DFAM-principes te volgen

Het is waar dat additieve productie veel nieuwe productmogelijkheden open kan zetten, maar er zijn ontwerpfactoren die u moet erkennen voordat u een functioneel rooster print. Hier stapt design for additive manufacturing (DFAM) in. DFAM helpt ontwerpingenieurs ervoor te zorgen dat hun geprintte onderdelen overeenkomen met de ontwerpintentie.

Enkele belangrijke DFAM-overwegingen omvatten roostercelstructuur, celgrootte en -densiteit, materiaalselectie en celoriëntatie.

• Celstructuur
  Er is een enorme reeks celstructuren, die de herhaalde eenheid in een rooster zijn. De lijst met celstructuren is heel lang en groeiend. De meest voorkomende celstructuren omvatten kubisch, ster, octaëder, hexagonaal, diamant en tetraëder, om er een paar te noemen. Celstructuren kunnen afgestemd en zelfs gemengd worden om de gewenste respons voor uw systeem te krijgen, maar uw selectie heeft implicaties. Sommige structuren zijn efficiënter (hogere stijfheid-gewichtsverhoudingen), anderen dempen energie beter, en sommige zijn iets esthetischer. De sterktes en voordelen moeten tegen elkaar afgewogen worden om de juiste keuze voor uw onderdeel te maken.
• Celafmetingen en -densiteit
  Celafmetingen en -densiteit verwijzen naar de grootte van een individuele eenheidscel en hoeveel cellen binnen een ruimte herhaald worden. De celafmeting zelf hangt af van de dikte en lengte van zijn leden en verbindende knopen. Grotere cellen kunnen makkelijker geprint worden maar kunnen ook stijver werken; evenzo laten kleinere cellen meer homogene systeemresponsen toe maar zijn beperkt door kenmerkgroottes.

• Materiaalselectie
  Uw gekozen materiaal kan definiëren welke roostereigenschappen mogelijk zijn. Elastomeriche of zachte materialen vereisen doorgaans een kleinere en dichtere celpopulatie om zakken tijdens het printen te verminderen. Alternatief laten roosters geprint met een rigider materiaal doorgaans een groter ontwerpbereik toe met dunner leden en grotere celafmetingen.
• Celoriëntatie
  De hoek waarop een cel geprint wordt, kan het succes van een print beïnvloeden omdat het de hoeveelheid en plaatsing van benodigde ondersteuningen beïnvloedt. Over het algemeen is een goed gekozen en georiënteerd rooster zelf-ondersteunend, wat geen aparte ondersteuningen vereist. Vaak kan een structuur geroteerd worden om ondersteuningen te verminderen. Denk aan een grote kubische Fachwerk – als direct op het bouwplatform geprint, zullen horizontale leden onondersteund zijn. Echter, als de structuur simpelweg 45 graden geroteerd wordt, zijn de leden nu zelf-ondersteunend.

De herhaalde eenheidscellen van een rooster openen de deur voor oneindige afmetingen, vormen en prestatiekenmerken. De inherent complexe aard van roosters maakt ze bijna onmogelijk te creëren op een andere manier dan additieve productie.

Als u nog nooit met roosters heeft ontworpen, kan het goed zijn om een expert in te schakelen die u kan helpen aan de slag te gaan. Bij Fast Radius is ons team gespecialiseerd in het maximaliseren van de totale waarde van additieve productie, van het ontwikkelen van beter presterende producten met roosters tot het drijven van toeleveringsketen-efficiëntie door on-demand productie en virtuele opslag. Om meer te weten te komen over de potentiële waarde van additieve productie – of om te beginnen met het ontwerpen van een product voor AM-processen – neem vandaag nog contact met ons op.

Klaar om uw onderdelen te maken met Fast Radius?