3D-roosterstructuren ontwerpen: Principes, mechanica en toepassingen

Roosterstructuren zijn herhalende patronen die, wanneer verbonden, driedimensionale vormen vormen. In een additieve productiecontext, openen compliant roosterstructuren opwindende productontwerpmogelijkheden aangezien ontwerpers 3D-printtechnologieën benutten om voorheen 'onmogelijke' vormen en onderdelen te creëren. Wanneer gemaakt van elastomeren, zijn 3D-geprinte roosterstructuren hoog deformabel en hun mechanische eigenschappen laten ze toe om over een wijd bereik van responsen afgesteld te worden, en in een spectrum van industrieën gebruikt te worden.

Echter, het ontwerpen van compliant 3D-roosterstructuren vereist productie-expertise – niet te spreken over 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 computorsimulatie gebruikt om een grote bibliotheek van data te creëren, waarbij verschillende roosterstructuren en hun mechanische eigenschappen geclassificeerd worden.

Als u op zoek bent naar het juiste type 3D-roosterstructuur voor uw productieproject, is het vitaal dat u begrijpt hoe verschillende ontwerpelementen de mechanische responsen van uw afgeronde onderdeel zullen beïnvloeden. Met dat in gedachten, om u te helpen uw project's additieve productiepotentieel te verkennen, hebben we een korte gids samengesteld van de belangrijkste 3D-roosterontwerpelementen – samen met vier voorbeelden van compliant roosterstructuren geselecteerd uit onze bibliotheek.

Belangrijke ontwerpelementen voor elastomeer 3D-roosterstructuren

Elastomeer 3D-roosterstructuurprojecten overwegen doorgaans een of alle van de volgende vier ontwerpelementen:

• Geometrie: De geometrie van een rooster verwijst naar de fysieke grootte en vorm van zijn componenten – en hoe hun patroon door de structuur van een onderdeel is gearrayed. Waar ze herhaald worden, worden enkele eenheden binnen de structuur van een rooster collectief eenheidscellen genoemd – refererend naar de manier waarop een roosterstructuur geïnspireerd is door de cellulaire en kristalstructuren die in de natuur gezien worden.
• Stijfheid/modulus: De stijfheid, of modulus, van het rooster verwijst naar de kracht die vereist is om de structuur te deformeren. De modulus wordt doorgaans gedefinieerd voor kleine deformaties wanneer de roosterrespons volledig elastisch is.
• Knikrespons: De knikrespons beschrijft de manier waarop een roosterstructuur toegeeft, en hangt af van de structurele onstabiele roosterelementen naarmate ze deporteren. Niet alle roosterstructuren vertonen knikken – en knikken is niet altijd een wenselijk kenmerk.
• Energie-dissipatie: De energie-dissipatie van een roosterstructuur verwijst naar zijn vermogen om energie te absorberen terwijl het wordt gedeformeerd.

Voorbeeldtypen 3D-geprinte roosterstructuur

Eenvoudige kubieke 3D-roosterstructuur

Deze Eenvoudige Kubieke rooster heeft een eenheidscelgrootte van 7,5 mm en een traversbreedte van 2 mm. De modulus is 0,72 MPa.

Knikrespons: Deze structuur van de Eenvoudige Kubieke rooster vertoont knikonstabiliteit. Na een rek van ongeveer 0,05, is de modulus constant op een spanningplaatje van 25 kPa. Additionele deformatie verhoogt de modulus niet.

Energie-dissipatie: De Eenvoudige Kubieke rooster heeft een inelastisch knikgedrag wat een andere respons produceert wanneer het geladen en ontladen wordt. Het inelastische gedrag kan voor veel doeleinden gebruikt worden, inclusief energie-dissipatie.

Toepassingen: De knikrespons van deze Eenvoudige Kubieke rooster produceert een krachtdrempel die het een goede kandidaat maakt voor persoonlijke beschermingstoepassingen en voor het afschermen van gevoelige componenten. Dit roostertype is ook effectief voor het vullen van gaten tussen componenten in assemblages.

Kelvin-cel 3D-roosterstructuur

Deze Kelvin-cel rooster heeft een eenheidscelgrootte van 10 mm en een traversbreedte van 2 mm. De modulus is 0,44 MPa.

Knikrespons: In tegenstelling tot de Eenvoudige Kubieke rooster, heeft de Kelvin-cel roosterstructuur een laag knikpunt, wat betekent dat zijn balken rekken in reactie op kracht. De Kelvin-cel rooster heeft geen plateau en comprimeert continu met een eenvoudige elastische stijfheid totdat het volledig gecompact is.

Energie-dissipatie: De Kelvin-cel rooster slaat energie op met zijn elastische deformatie, en keert snel terug naar zijn oorspronkelijke vorm, als een veer, wanneer de kracht wordt verwijderd.

Toepassingen: De Kelvin-cel rooster is een goede kandidaat voor schuimvervanging in producten onder statische compressie zoals zitkussens of lichaamskussens. Met zijn ingewikkelde zeshoekige cellen is de Kelvin-cel rooster nogal visueel opvallend, wat het een optie maakt voor esthetische en mode-toepassingen.

Lichaam-gecentreerde 3D-roosterstructuur

Deze Lichaam-Gecentreerde rooster heeft een eenheidscelgrootte van 10 mm en een traversbreedte van 2 mm. De modulus is 0,07 MPa.

Knikrespons: De Lichaam-Gecentreerde roosterstructuur heeft een rekkingsrespons, wat betekent dat het reageert met toenemende kracht per eenheid verplaatsing tot volledig gecompact. De modulus is veel lager vergeleken met de Eenvoudige Kubieke rooster, en het heeft geen plateau-spanning.

Energie-dissipatie: Net als de Kelvin-eenheid, slaat de Lichaam-Gecentreerde rooster energie op met zijn elastische deformatie en keert terug naar zijn oorspronkelijke vorm, veel als een veer, wanneer de kracht wordt verwijderd.

Toepassingen: Met zijn hoge rek elastische respons, is de Lichaam-Gecentreerde rooster een goede kandidaat voor schuimvervanging in producten onder statische compressie. De angeschoven struiken die naar het midden van de cel wijzen, maken zijn respons zelfs en consistent.

Lichaam-Gecentreerde Kubieke (BCC) 3D-roosterstructuur

De Lichaam-Gecentreerde Kubieke (BCC) rooster combineert de Lichaam-Gecentreerde rooster en Eenvoudige Kubieke rooster in een enkele structuur. Deze rooster heeft een eenheidscelgrootte 7,5 mm, en een traversbreedte 1 mm. De modulus is 0,23 MPa – wat hoger is dan de Eenvoudige Kubieke en Lichaam-Gecentreerde Kubieke roosters die hierboven vermeld zijn.

Knikrespons: Aangezien de BCC rooster twee typen 3D-geprinte roosters combineert, is zijn respons een combinatie van beide. Deze rooster knikt als de Eenvoudige Kubieke rooster met een plateau-spanning (0,12 MPa) maar heeft een stabielere post-knikgedrag.

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

Toepassingen: De BCC rooster is bijzonder nuttig voor toepassingen die profiteren van een afgestelde elastische en knikrespons. Het werkt ook goed wanneer een product energie-dissipatie vereist met een stabielere respons dan de zuivere knik die gezien wordt in de Eenvoudige Kubieke rooster.

Nieuwe dingen mogelijk maken met Fast Radius

De vier structuren die hierboven benadrukt worden, krabben alleen aan de oppervlakte van wat mogelijk is met een elastomerische 3D-roosterstructuurontwerp. Om meer te leren, verkennen onze case studies en ontdek hoe bedrijven als Rawlings en Steelcase innovatieve nieuwe producten creëerden met 3D-geprinte roosterstructuren. Als u klaar bent om uw eigen 3D-printproject te beginnen, neem vandaag nog contact met ons op en maak uw volgende project mogelijk.

Klaar om uw onderdelen te maken met Fast Radius?

Start uw offerteaanvraag