Estruturas de treliça 3D:elementos de design e respostas mecânicas

Estruturas de treliça são padrões repetidos que, quando conectados, formam formas tridimensionais. Em um contexto de manufatura aditiva, estruturas de treliça compatíveis abrem possibilidades interessantes de design de produtos, pois os designers aproveitam as tecnologias de impressão 3D para criar formas e peças anteriormente "incriáveis". Quando feitas de elastômeros, as estruturas treliçadas impressas em 3D são altamente deformáveis ​​e suas propriedades mecânicas permitem que sejam ajustadas em uma ampla gama de respostas e usadas em uma variedade de indústrias.

No entanto, projetar estruturas de treliça 3D em conformidade requer experiência em fabricação – sem mencionar as ferramentas de software corretas. Na Fast Radius, projetamos e testamos estruturas treliçadas impressas em 3D para uma vasta gama de diferentes produtos e aplicações. Usamos simulação de computador para criar uma grande biblioteca de dados, classificando diferentes estruturas de treliça e suas propriedades mecânicas.

Se você está procurando o tipo certo de estrutura de treliça 3D para seu projeto de fabricação, é vital que você entenda como os diferentes elementos de design afetarão as respostas mecânicas de sua peça acabada. Com isso em mente, para ajudá-lo a explorar o potencial de manufatura aditiva do seu projeto, reunimos um pequeno guia para os principais elementos de design de treliça 3D - juntamente com quatro exemplos de estruturas de treliça compatíveis selecionadas em nossa biblioteca.

Elementos-chave de design para estruturas de treliça 3D de elastômero

Os projetos de estrutura de treliça 3D de elastômero geralmente consideram alguns ou todos os quatro elementos de design a seguir:

• Geometria: A geometria de uma treliça refere-se ao tamanho físico e à forma de seus componentes – e como seu padrão é organizado em toda a estrutura de uma peça. Onde eles são repetidos, unidades únicas dentro da estrutura de uma rede são conhecidas coletivamente como células unitárias – referenciando a maneira como uma estrutura de rede é inspirada nas estruturas celulares e cristalinas vistas na natureza.
• Rigidez/módulo: A rigidez, ou módulo, da rede refere-se à força necessária para deformar sua estrutura. O módulo é normalmente definido para pequenas deformações quando a resposta da rede é totalmente elástica.
• Resposta de deformação: A resposta de flambagem descreve a forma como uma estrutura de treliça cede e depende da instabilidade estrutural dos elementos de treliça à medida que se deformam. Nem todas as estruturas treliçadas exibem flambagem – e a flambagem nem sempre é uma característica desejável.
• Dissipação de energia: A dissipação de energia de uma estrutura treliçada refere-se à sua capacidade de absorver energia enquanto está sendo deformada.

Exemplos de tipos de estrutura de treliça impressa em 3D

Estrutura de treliça 3D cúbica simples

Esta rede cúbica simples tem um tamanho de célula unitária de 7,5 mm e uma largura de treliça de 2 mm. O módulo é de 0,72 MPa.

Resposta travada: Esta estrutura da rede Cúbica Simples apresenta instabilidade de flambagem. Após uma deformação de cerca de 0,05, o módulo é constante em um platô de tensão de 25 kPa. A deformação adicional não aumenta o módulo.

Dissipação de energia: A rede Cúbica Simples tem um comportamento de flambagem inelástica que produz uma resposta diferente quando está sendo carregada e descarregada. O comportamento inelástico pode ser usado para muitos propósitos, incluindo dissipação de energia.

Aplicativos: A resposta de flambagem desta estrutura cúbica simples produz um limite de força que a torna uma boa candidata para aplicações de proteção pessoal e para blindagem de componentes sensíveis. Esse tipo de treliça também é eficaz para preencher lacunas entre componentes em montagens.

Estrutura de treliça 3D de células de Kelvin

Esta rede de células Kelvin tem um tamanho de célula unitária de 10 mm e uma largura de treliça de 2 mm. O módulo é de 0,44 MPa.

Resposta travada: Ao contrário da estrutura cúbica simples, a estrutura da estrutura de células Kelvin tem um baixo ponto de flambagem, o que significa que seus feixes se estendem em resposta à força. A rede de células Kelvin não possui um platô e comprime continuamente com uma rigidez elástica simples até que esteja totalmente compactada.

Dissipação de energia: A rede de células Kelvin armazena energia com sua deformação elástica e retorna à sua forma original rapidamente, como uma mola, quando a força é removida.

Aplicativos: A estrutura de células Kelvin é uma boa candidata para substituição de espuma em produtos sob compressão estática, como almofadas de assento ou almofadas de corpo. Com suas intrincadas células hexagonais, a treliça de células Kelvin é visualmente impressionante, tornando-se uma opção para aplicações estéticas e de moda.

Estrutura de treliça 3D centrada no corpo

Esta treliça Body-Centered tem um tamanho de célula unitária de 10 mm e uma largura de treliça de 2 mm. O módulo é de 0,07 MPa.

Resposta travada: A estrutura de treliça Body-Centered tem uma resposta de alongamento, o que significa que ela responde com força crescente por unidade de deslocamento até ser totalmente compactada. Seu módulo é muito menor em comparação com a rede Cúbica Simples, e não possui tensão de platô.

Dissipação de energia: Como a unidade Kelvin, a estrutura Body-Centered armazena energia com sua deformação elástica e retorna à sua forma original como uma mola quando a força é removida.

Aplicativos: Com sua resposta elástica de alta tensão, a treliça Body-Centered é uma boa candidata para substituição de espuma em produtos sob compressão estática. Os suportes angulares apontando para o centro da célula tornam sua resposta uniforme e consistente.

Estrutura de treliça 3D cúbica centrada no corpo (BCC)

A estrutura Cúbica Centrada no Corpo (BCC) combina a estrutura Cúbica Centrada no Corpo e a estrutura Cúbica Simples em uma única estrutura. Esta rede tem um tamanho de célula unitária de 7,5 mm e uma largura de treliça de 1 mm. O módulo é de 0,23 MPa – que é maior do que as redes cúbicas simples e cúbicas centradas no corpo listadas acima.

Resposta travada: Como a treliça BCC combina dois tipos de treliça impressa em 3D, sua resposta é uma combinação de ambos. Esta treliça flamba como a treliça Cúbica Simples com uma tensão de platô (0,12 MPa), mas tem um comportamento pós-flambagem mais estável.

Dissipação de energia: Como a rede BCC combina uma resposta elástica e de flambagem, é possível ajustar o armazenamento e a dissipação de energia para atender a aplicações específicas.

Aplicativos: A treliça BCC é particularmente útil para aplicações que se beneficiam de uma resposta elástica e de flambagem personalizada. Também funciona bem quando um produto requer dissipação de energia com uma resposta mais estável do que a flambagem pura vista na rede Cúbica Simples.

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