Зачем нужны решетчатые структуры и в чем их преимущества | Типы решетчатых конструкций | Примеры внедрения: от кроссовок до имплантатов | Советы по проектированию | В каком ПО можно создавать решетчатые структуры
В природе решетчатые (сетчатые) и ячеистые структуры встречаются повсеместно – вспомните строение костей, пчелиных сот, морских губок или металлических кристаллов. Они получили широкое распространение в самых разных областях жизнедеятельности, где необходимо обеспечить жесткость и прочность при воздействии сжимающих, изгибных и ударных нагрузок, – от архитектуры до технических и медицинских изделий. Например, в теплообменниках или батареях такие конструкции служат оптимальной передаче энергии, а в авиационных компонентах – ответственной задаче снижения веса.
Аддитивные технологии открыли новые возможности для проектирования и изготовления сложных деталей, которые затруднительно или нереально получить с помощью традиционных производственных процессов. К таким объектам относятся и решетчатые структуры, которые проектируются в CAD‑программе и затем послойно печатаются на 3D‑принтере из разнообразных материалов.
Благодаря 3D‑печати они могут иметь практически любую геометрию, настраиваются в соответствии с различными требованиями и эффективнее поглощают ударную силу. Топологическая оптимизация и соответствующее программное обеспечение еще больше упростили создание подобных конструкций.
Получите бесплатные демоверсии программных продуктов для аддитивного производства и обработки данных 3D‑сканирования:
Зачем нужны решетчатые структуры и в чем их преимущества
Уменьшение расхода материалов
Использование решеток в конструкции может существенно сократить количество используемого материала за счет удаления большей его части в некритичных областях. Если вы применяете 3D‑печать порошками или смолами, то сэкономите значительные средства.
Снижение веса
Из меньшего расхода материалов вытекает еще одно преимущество – снижение веса. Во многих случаях конечная масса детали или узла в собранном виде жестко ограничена, и чаще всего легче – значит лучше. В зависимости от выбранного типа решетки масса изделия может быть уменьшена, и это дает множество плюсов – от экономии топлива в самолетах и автомобилях до более быстрого восстановления пациентов медицинских учреждений.
Поглощение энергии
Сетчатые структуры обладают многими свойствами, благоприятными для поглощения энергии. Варьируя плотность и даже тип ячеек на различных участках, можно добиться того, что конструкция будет эффективно поглощать энергию в различных направлениях. По сравнению со стандартными пеноматериалами, используемыми в широком спектре продуктов, сложные решетчатые структуры могут перенаправлять и лучше распределять энергию для поглощения ударной силы, используя при этом многообразные свойства современных фотополимеров для аддитивного производства.
Увеличенная площадь поверхности
Площадь поверхности решетки во много раз больше, чем у твердого компонента того же размера. Это может быть очень полезно для решения задач, связанных с теплообменом или химическим катализом, когда для выполнения той или иной функции требуется большая площадь поверхности.
Металлические решетки обеспечивают превосходную теплопередачу, а с помощью 3D‑принтеров можно быстро создавать исключительно сложные и миниатюрные конструкции теплообменников, систем охлаждения, катализаторов и других устройств. В литий‑ионных батареях решетки используются для терморегулирования. Сетчатые структуры включаются в каналы охлаждения для увеличения скорости движения жидкости, что улучшает эффект охлаждения. Наконец, такие конструкции используются в пресс‑формах для литья под давлением для деталей, требующих более быстрого охлаждения.
Улучшение проницаемости жидкости
Промежутки между решетками, или пористость, также могут варьироваться. Это полезно для конструкций, требующих систем фильтрации. Степень проницаемости важна для медицинских имплантатов: решетки позволяют питательным веществам проходить через структуру, что потенциально улучшает рост и срастание кости. Большое количество ячеек позволяет снизить скорость распространения жидкостей и газов, и таким образом более равномерно распределить давление по всему объему фильтра.
Эстетические качества
Помимо многочисленных технических преимуществ решеток, нельзя не заметить, что они обладают уникальной и привлекательной эстетикой. В дизайне потребительских товаров все чаще используют сетчатые элементы, часто только из‑за их внешнего вида.
Типы решетчатых конструкций
Как правило, типология решеток зависит от их свойств. В основе всех решеток лежит элементарная ячейка. Это повторяющаяся единица, которая многократно копируется в нескольких направлениях, создавая цельную структуру.
Существует огромное количество решетчатых структур и несколько способов их создания. Они могут:
-
быть периодическими, непериодическими или стохастическими;
-
состоять из перекладин, пластин или трижды периодических минимальных поверхностей (ТПМП);
-
заполнять объем или фиксироваться на поверхности;
-
быть обрезаны до области проектных параметров или соответствовать ей.
-
создаваться на основе сетки, CAD‑модели или неявной модели.
Эксперты iQB Technologies рекомендуют статью Подготовка данных к 3D‑печати: что делать, когда западный софт недоступен
Примеры внедрения: от кроссовок до имплантатов
Многие отрасли промышленности используют свойства решетчатых структур при разработке новых продуктов, и в последние годы мы видим все больше новых идей и сфер применения, в которых решетки являются ключевым элементом конструкции.
Автомобилестроение
Porsche в сотрудничестве с Nikon SLM Solutions напечатала компонент силового агрегата спорткара под названием E‑Drive – корпус, включающий электронику, трансмиссию и электродвигатель. В результате топологической оптимизации удалось уменьшить вес детали за счет применения решетчатых структур, реализовать функционально интегрированные каналы охлаждения, повысить коэффициент жесткости, уменьшить время сборки из‑за сокращения числа элементов. E‑Drive имеет габариты 590 x 560 x 367 мм и весит 15,5 кг.
Медицина
С помощью 3D‑печати металлом ортопеды могут проектировать и изготавливать имплантаты со сложными решетчатыми структурами. Эти конструкции обладают отличным отношением прочности к весу, что позволяет создавать легкие, но прочные изделия. Напечатанные имплантаты способствуют врастанию кости, обеспечивая улучшенную стабильность и интеграцию с естественной костью пациента.
К примеру, при создании ацетабулярного колпачка (эндопротеза тазобедренного сустава) по SLM‑технологии удается реализовать мелкую пористую структуру для оптимального контакта между имплантатом и костью. Это обеспечивает долгосрочную стабильность имплантата за счет врастания кости. Селективное лазерное плавление позволяет контролировать разработку и изготовление сетчатых элементов необходимой формы, размера, ориентации и интервала. Такой точности изготовления невозможно достичь с помощью традиционного процесса плазменного напыления.
При проектировании основных внутренних вкладышей для протезов компания LifeNabled применила топологическую оптимизацию, разработав гибкие сетчатые структуры с индивидуальными свойствами. Такие изделия имитируют свойства традиционного пеноматериала, при этом устраняется необходимость в дорогостоящих и неудобных гелеподобных вкладышах, которые обычно используются.
Нефтегазовая отрасль
Немецкая компания PRÄWEST использовала технологию селективного лазерного плавления для изготовления завихрителя, позволившего существенно повысить эффективность впрыска топлива в стационарной газовой турбине. Одним из главных составляющих успеха была топологическая оптимизация геометрии завихрителя: создание внутренней решетчатой структуры и дополнительных каналов. Благодаря сетчатой конструкции удалось снизить массу компонента и вместе с тем сократить количество необходимых материалов и ресурсов.
Спортивные и потребительские товары
Adidas регулярно представляет инновационную обувь, в создании которой применяется 3D‑печать. Так, кроссовки для гольфистов MC87 4D имеют высокоэффективную подошву, обеспечивающую контролируемую и точную отдачу энергии. Это стало возможным благодаря решетчатой структуре подошвы, которая изготавливается из фотополимера. Подошва стала более прочной и гибкой, а решетчатая структура обеспечивает отзывчивую амортизацию, поглощает давление со всех сторон, возвращает энергию стопе, а также придает обуви уникальный футуристичный облик.
Читайте в блоге: 7 приоритетных отраслей для внедрения SLM‑технологии
Советы по проектированию
Есть множество нюансов, от которых зависит, насколько хорошо будет работать решетчатая структура и какими характеристиками она будет обладать. Вот лишь некоторые из них.
Структура и размер ячеек
Структур-ячеек, которые представляют собой отдельные строительные блоки в решетке, невероятно много. Каждая ячейка имеет повторяющуюся форму и может быть разной формы и размера. Обычно ячеистые структуры имеют стандартные формы: кубы, звезды, шестиугольники, ромбы и так далее. Однако проектировщики могут смешивать и сочетать эти формы, чтобы получить особые характеристики материала. Не все структуры одинаковы, поэтому важно выбрать, какие формы повторяются и в каком порядке.
Размер ячейки и плотность повторения фигур также являются ключевыми факторами. Определение размера ячейки зависит от толщины и длины ее элементов и соединительных узлов. Высокая плотность повторения означает, что на одной единице площади находится больше повторяющихся фигур. Высокая плотность на малой площади образует более сложные тонкие решетки. Крупные ячейки легче напечатать, но в целом они могут быть более жесткими. Аналогично, более мелкие ячейки позволяют добиться более стабильных результатов печати, но при этом имеют ограничения по размеру.
Выбор материала
Результат 3D‑печати в конечном счете зависит от правильного выбора материала и технологии. Они также влияют на размер и плотность решетки, поскольку у каждого материала своя жесткость, вес и другие свойства, которые необходимо учитывать. При использовании эластомерных или мягких материалов ячейки обычно должны быть более мелкими и плотными, чтобы уменьшить провисание во время печати. Для более мягких и менее жестких материалов, как правило, требуются более толстые элементы и узлы. В качестве альтернативы – решетки, которые печатаются из более жесткого материала, обычно позволяют расширить возможности проектирования за счет более тонких элементов и бòльших размеров ячеек.
Ориентация ячеек
Угол, под которым печатаются ячейки, может изменить свойства решетчатой структуры, поскольку он влияет на количество и расположение необходимых поддержек. Однако одно из преимуществ хорошей решетки – то, что она может обойтись без поддержек. Некоторые конструкции можно также печатать под другими углами. Например, большая кубическая ферма, напечатанная прямо на платформе построения, не требует поддержки для горизонтальных элементов. Однако, если просто повернуть конструкцию на 45 градусов, ее элементы станут самонесущими.
В каком ПО можно создавать решетчатые структуры
На мировом рынке существует солидный выбор программных продуктов для аддитивного производства, предлагающих функцию создания сетчатых конструкций. Среди них – широко известные Autodesk Fusion 360 / Netfabb, Siemens NX, Materialise 3‑Matic, nTopology, Altair Sulis, Carbon Design Engine. К сожалению, в условиях санкций большая часть софта западных разработчиков недоступна в России.
Мы предлагаем универсальное решение для профессиональной подготовки моделей к печати от китайского производителя – VoxelDance Additive. Хотите опробовать возможности ПО? Оставьте онлайн-заявку по ссылке и получите бесплатную демоверсию.
В статье использованы материалы из следующих источников: all3dp.com, 3dprinting.com, ntop.com, ptc.com. Фото в заставке © Desktop Metal
Статья опубликована 09.08.2024 , обновлена 09.08.2024
