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

Gepubliceerd op 3 mei 2022

Roosterstructuren zijn periodieke frameworks die samengesteld worden tot complexe driedimensionale geometrieën. In additieve productie bieden compatibele roosters ongekende ontwerpvrijheid, waardoor ingenieurs vormen kunnen produceren die eerder onmogelijk waren.

Wanneer geproduceerd uit elastomeeren, vertonen deze roosters een opmerkelijke deformeerbaarheid. Door de architectuur af te stemmen, kunnen ontwerpers stijfheid, knikgedrag en energie-absorptie finetunen aan de eisen van een breed scala aan industrieën.

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

De keuze voor de juiste roosterarchitectuur hangt af van het begrip van hoe elke ontwerpvariabele de mechanische reactie van het onderdeel beïnvloedt. De volgende gids vat de essentiële ontwordelementen samen en presenteert vier representatieve roostertypes uit onze catalogus.

Belangrijkste ontwordelementen voor elastomeer 3D-roosterstructuren

Elastomeer-roosterprojecten evalueren meestal de volgende kernelementen:

• Geometrie: De ruimtelijke configuratie van strepen en knopen — inclusief eenheidscelgrootte, -vorm en algehele topologie — beheerst belastingspaden en deformatie-modussen.
• Stijfheid / Elasticiteitsmodulus: Gedefinieerd voor kleine, elastische deformaties, geeft deze maatstaf de kracht aan die nodig is om een gegeven vervorming te bereiken en is cruciaal voor lastdragende toepassingen.
• Knikrespons: De neiging van roosterelementen om te knikken onder drukbelasting bepaalt of de structuur elastisch gedraagt, een spanningsplateau vertoont of progressief instort.
• Energie-dissipatie: Het vermogen om mechanische energie te absorberen en te dissiperen tijdens be- en ontlastingscycli maakt bepaalde roosters ideaal voor impactmitigatie of trillingisolatie.

Voorbeeldtypen 3D-geprinte roosterstructuren

Eenvoudige kubieke rooster

Deze rooster heeft een eenheidscel van 7,5 mm en een streepbreedte van 2 mm, wat resulteert in een modulus van 0,72 MPa.

Knikrespons: Vertoont een duidelijke knikinstabiliteit; na een vervorming van ~0,05 plateauwert de spanning op 25 kPa, en verdere deformatie verhoogt de modulus niet.

Energie-dissipatie: Het inelastische knikgedrag produceert een hysterese-lus, wat het geschikt maakt voor toepassingen die impactabsorptie vereisen.

Toepassingen: Ideaal voor persoonlijke beschermingsmiddelen en als opgeofferde laag die gevoelige componenten beschermt; deze rooster kan ook ruimtes tussen componenten in assemblages vullen.

Kelvin-cel rooster

Eenheidscelgrootte 10 mm, streepbreedte 2 mm, modulus 0,44 MPa.

Knikrespons: Geen duidelijk plateau; de strekken rekken elastisch tot volledige compactie, wat een soepele compressiecurve oplevert.

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

Toepassingen: Geschikt als schuimvervanger in statisch-compressieproducten zoals zitkussens en lichaamskussens, en de hexagonale geometrie biedt esthetische aantrekkingskracht voor modegerichte ontwerpen.

Lichaam-gecentreerde rooster

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

Knikrespons: Vertoont een progressief rekgedrag met toenemende kracht per vervorming tot volledige compactie; geen spanningsplateau waargenomen.

Energie-dissipatie: Vergelijkbaar met de Kelvin-eenheid gedraagt het zich als een veer, keert na belasting terug naar vorm.

Toepassingen: De hoge-vervorming, elastische respons maakt het ideaal voor statische schuimvervanging, terwijl de hoekige strepen uniforme mechanische prestaties leveren.

Lichaam-gecentreerde kubieke (BCC) rooster

Deze hybride structuur combineert lichaam-gecentreerde en eenvoudige kubieke topologieën, met een eenheidscel van 7,5 mm en streepbreedte van 1 mm. De resulterende modulus is 0,23 MPa — hoger dan de eenvoudige kubieke en lichaam-gecentreerde roosters apart.

Knikrespons: De BCC-rooster erft knikgedrag van het eenvoudige kubieke component, met een plateau op 0,12 MPa, doch het na-knikgedrag is stabieler.

Energie-dissipatie: Door elastische en knikmodi te combineren, stelt de BCC-rooster nauwkeurige afstemming van energie-opslag en -vrijgave toe voor specifieke gebruiksgevallen.

Toepassingen: Ideaal voor producten die een afgestemde combinatie van elastische veerkracht en gecontroleerde energie-dissipatie vereisen, met een voorspelbaardere respons dan zuivere knik-roosters.

Nieuwe dingen mogelijk maken met SyBridge

De vier bovenstaande roosters schrappen maar aan het oppervlak van wat elastomere 3D-roosterontwerp kan bereiken. Als u klaar bent om een 3D-printproject te starten, neem dan vandaag nog contact met ons op en maak uw volgende project mogelijk.