3D-roosterstructuren:ontwerpprincipes en mechanisch gedrag voor geavanceerde additieve productie

Gepubliceerd op 3 mei 2022

Roosterstructuren zijn periodieke raamwerken die samenkomen in ingewikkelde driedimensionale geometrieën. Bij additieve productie bieden conforme roosters ongekende ontwerpvrijheid, waardoor ingenieurs vormen kunnen produceren die voorheen onbereikbaar waren.

Wanneer ze uit elastomeren worden vervaardigd, vertonen deze roosters een opmerkelijke vervormbaarheid. Door de architectuur op maat te maken, kunnen ontwerpers de stijfheid, het knikgedrag en de energieabsorptie nauwkeurig afstemmen om aan de eisen van een breed scala aan industrieën te voldoen.

Het creëren van conforme 3D-roosters vereist zowel productie-expertise als geavanceerde ontwerptools. Bij SyBridge hebben we een uitgebreide bibliotheek van elastomere roosters ontwikkeld en gevalideerd voor talloze productcategorieën, ondersteund door uitgebreide simulatiegegevens die structuur correleren met mechanische prestaties.

Het kiezen van de juiste roosterarchitectuur hangt af van het inzicht in hoe elke ontwerpvariabele de mechanische respons van het onderdeel beïnvloedt. De volgende gids distilleert de essentiële ontwerpelementen en presenteert vier representatieve roostertypes uit onze catalogus.

Belangrijke ontwerpelementen voor 3D-roosterstructuren van elastomeer

Elastomeerroosterprojecten evalueren doorgaans de volgende kernelementen:

• Geometrie: De ruimtelijke configuratie van stutten en knooppunten (inclusief de grootte, vorm en algehele topologie van de eenheidscellen) bepaalt rechtstreeks de belastingspaden en vervormingsmodi.
• Stijfheid / Modulus: Deze metriek is gedefinieerd voor kleine, elastische vervormingen en geeft de kracht aan die nodig is om een bepaalde rek te bereiken en is van cruciaal belang voor dragende toepassingen.
• Knikkende reactie: De neiging van roosterelementen om te knikken onder drukbelastingen bepaalt of de constructie zich elastisch gedraagt, een spanningsplateau vertoont of geleidelijk instort.
• Energiedissipatie: Het vermogen om mechanische energie te absorberen en af te voeren tijdens laad- en loscycli maakt bepaalde roosters ideaal voor impactvermindering of trillingsisolatie.

Voorbeeldtypen van 3D-geprinte roosterstructuren

Eenvoudig kubisch rooster

Dit rooster heeft een eenheidscel van 7,5 mm en een spantbreedte van 2 mm, wat een modulus oplevert van 0,72 MPa.

Knikkende reactie: Vertoont een duidelijke knikinstabiliteit; na een rek van ~0,05 bereikt de spanning een plateau bij 25 kPa, en verdere vervorming verhoogt de modulus niet.

Energiedissipatie: Het inelastische knikgedrag produceert een hysteresislus, waardoor het geschikt is voor toepassingen waarbij schokabsorptie vereist is.

Toepassingen: Ideaal voor persoonlijke beschermingsmiddelen en als opofferingslaag die gevoelige componenten beschermt, kan dit rooster ook gaten tussen componenten in assemblages opvullen.

Kelvin-celrooster

Eenheidscelgrootte van 10 mm, spantbreedte 2 mm, modulus 0,44 MPa.

Knikkende reactie: Ontbreekt aan een duidelijk plateau; de balken strekken zich elastisch uit tot volledige verdichting, waardoor een vloeiende compressiecurve ontstaat.

Energiedissipatie: Slaat energie elastisch op en keert snel terug naar zijn oorspronkelijke vorm en gedraagt zich als een veerkrachtige veer.

Toepassingen: Geschikt als schuimvervanger in statische compressieproducten zoals zitkussens en bodypads, en de zeshoekige geometrie biedt een esthetische aantrekkingskracht voor modegerichte ontwerpen.

Lichaamsgecentreerd rooster

Eenheidscelgrootte 10 mm, spantbreedte 2 mm, modulus 0,07 MPa.

Knikkende reactie: Vertoont een progressief rekgedrag met toenemende kracht per verplaatsing tot volledige verdichting; er wordt geen stressplateau waargenomen.

Energiedissipatie: Net als de Kelvin-eenheid gedraagt deze zich als een veer en keert na belasting terug naar zijn vorm.

Toepassingen: De elastische respons met hoge spanning maakt het ideaal voor vervanging van schuim met statische compressie, terwijl de schuine stutten uniforme mechanische prestaties leveren.

Body-Centered Cubic (BCC) rooster

Deze hybride structuur combineert lichaamsgerichte en eenvoudige kubieke topologieën, met een eenheidscel van 7,5 mm en een spantbreedte van 1 mm. De resulterende modulus is 0,23 MPa – hoger dan alleen de eenvoudige kubieke en lichaamsgecentreerde roosters.

Knikkende reactie: Het BCC-rooster erft het knikken van de eenvoudige kubieke component en vertoont een plateau bij 0,12 MPa, maar het gedrag na het knikken is stabieler.

Energiedissipatie: Door elastische en knikmodi te combineren, maakt het BCC-rooster nauwkeurige afstemming van energieopslag en -afgifte mogelijk voor specifieke gebruiksscenario's.

Toepassingen: Ideaal voor producten die een op maat gemaakte combinatie van elastische veerkracht en gecontroleerde energiedissipatie vereisen, en een voorspelbaardere respons bieden dan pure knikroosters.

Maak nieuwe dingen mogelijk met SyBridge

De vier hierboven gemarkeerde roosters schetsen slechts het oppervlak van wat een elastomeer 3D-roosterontwerp kan bereiken. Als u klaar bent om aan een 3D-printproject te beginnen, neem dan vandaag nog contact met ons op en maak uw volgende project mogelijk.