Como as estruturas de treliça impressas em 3D podem melhorar as peças

As estruturas treliçadas impressas em 3D são um dos maiores pontos de venda da manufatura aditiva. Eles são fáceis de fabricar usando o processo exclusivo de impressão 3D e há muitos benefícios práticos em usá-los.

Estruturas de treliça são essencialmente padrões de preenchimento – formas de estruturar a geometria interna de uma peça impressa em 3D. Em vez de imprimir em 3D um bloco sólido de plástico ou metal, os engenheiros podem usar padrões sobrepostos e interligados que são parcialmente ocos. Quando essas treliças são projetadas adequadamente, elas podem melhorar muito as propriedades mecânicas de uma peça, tornando-a mais leve e mais forte.

É importante ressaltar que as estruturas de treliça podem ser fabricadas em qualquer impressora 3D de nível profissional. E mais importante ainda, essas estruturas não podem ser produzidas adequadamente usando qualquer outra tecnologia de fabricação. As tecnologias subtrativas não podem cortar o interior de uma peça sem cortar o exterior, enquanto os moldes simplesmente são “preenchidos” com material líquido – você não pode escolher como esse material líquido se encaixa como você pode com uma impressora 3D.

Este artigo analisa como as estruturas treliçadas impressas em 3D são feitas e por que elas estão se tornando tão úteis em lugares como a indústria aeroespacial.

Como você faz uma treliça impressa em 3D?

Estruturas treliçadas podem ser vistas em todos os lugares, como pontes e casas de madeira. A Torre Eiffel é talvez o exemplo mais famoso do mundo de uma estrutura treliçada ou treliçada, com suas vigas sobrepostas formando uma estrutura estável, mas amplamente oca.

É possível replicar tal estrutura em uma peça impressa em 3D. E geralmente não é necessário projetar a estrutura de treliça manualmente:existem várias ferramentas de geração de treliça que geram automaticamente padrões de treliça com base em parâmetros escolhidos pelo usuário. As ferramentas disponíveis comercialmente incluem topologia, Autodesk Within e Meshify.

Mas nem todas as redes são iguais. De fato, as estruturas de treliça variam de muitas maneiras, com as principais variações descritas abaixo.

Estrutura da célula

As células são as unidades individuais que compõem uma estrutura de rede. Estes são geralmente reconhecíveis como formas geométricas, como cubos, estrelas, hexágonos, octógonos, etc., embora várias formas possam ser combinadas para usos mecânicos específicos. Às vezes, as células são totalmente não uniformes, sem padrão discernível.

Em última análise, a estrutura da célula – tanto sua forma quanto tamanho – afeta como uma peça se comportará em termos de força, peso, elasticidade e outros fatores.

Orientação da célula

Decidir sobre a estrutura e o tamanho da célula é apenas metade da história. As formas dentro de uma treliça podem ser orientadas de diferentes maneiras, o que também afeta o desempenho final da peça. A orientação também deve ser determinada por restrições de impressão:certas orientações exigirão mais estruturas de suporte, por exemplo.

Material de treliça

Nem todos os materiais são capazes de imprimir todas as estruturas de treliça. Materiais macios e elásticos geralmente não devem ser impressos com grandes estruturas de células, pois as grandes seções porosas podem fazer a peça ceder. Na maioria dos casos, o material da treliça será o mesmo do invólucro ou do material externo, mas as impressoras multiextrusoras oferecem alguma flexibilidade nesse sentido.

Quais são os benefícios de uma treliça impressa em 3D?

Ao incorporar estruturas de treliça em peças impressas em 3D, os engenheiros podem obter benefícios como redução de peso, maior resistência da peça e absorção de choque.

A redução de peso é talvez o mais importante desses benefícios e a principal razão pela qual os engenheiros estão tão interessados ​​em otimizar suas estruturas impressas com geometrias internas padronizadas. Uma característica-chave das estruturas de treliça é sua oca parcial:as células contêm espaço vazio, portanto, com um padrão de treliça interno, apresenta menos material geral do que uma parte equivalente com preenchimento sólido.

Menos material geral significa menos massa, o que é uma grande vantagem para usuários de AM em indústrias como automotiva e aeroespacial, onde cortar apenas alguns gramas pode fazer uma enorme diferença no desempenho da peça. Na verdade, algumas das pesquisas de treliça mais empolgantes estão ocorrendo no setor aeroespacial, onde empresas como a Boeing desenvolveram materiais de treliça avançados superleves.

Menos material também significa menos despesas. Ao criar peças com estruturas treliçadas, os engenheiros podem criar peças superiores que realmente custam menos do que as inferiores.

Mas o objetivo das estruturas treliçadas é reduzir a massa sem comprometer a integridade da peça. Embora fazer furos arbitrários em uma peça possa torná-la mais frágil e com maior probabilidade de quebrar, as estruturas de treliça impressas em 3D são projetadas para usar o material da maneira mais estruturalmente eficaz possível, garantindo que as seções ocas não sejam vulnerabilidades, mas pontos fortes em si.

Peças parcialmente ocas com estruturas treliçadas podem realmente ser mais fortes do que seus equivalentes sólidos, porque os espaços vazios em uma treliça servem para melhorar a absorção de choque e reduzir a tensão de impacto. Peças com estruturas treliçadas de células grandes podem ser altamente flexíveis e elásticas, reduzindo a fragilidade e a possibilidade de quebra.

Menos importante, mas ainda notável, é a estética das treliças. Esses padrões complexos são algumas das formas mais impressionantes que os engenheiros podem fazer com uma impressora 3D, de modo que as peças com treliças impressas geralmente são tão atraentes visualmente quanto práticas.

Benefícios do resumo de treliças impressas em 3D:

• Leve
• Menos uso de material
• Forte
• Absorção de choque
• Estética

As máquinas CNC podem fazer estruturas treliçadas?

Em suma, não. Máquinas CNC e outras tecnologias de fabricação subtrativa não podem fazer estruturas treliçadas 3D porque usam ferramentas de corte para remover material de um bloco sólido. Uma máquina CNC poderia cortar as seções ocas da primeira linha de células de treliça, mas a ferramenta de corte atingiria um beco sem saída. Ele não pode cortar a próxima linha de seções ocas porque as seções sólidas estão no caminho.

Uma impressora 3D não encontra esse problema porque fabrica peças em fatias ou seções transversais, construindo-as do nada em vez de cortá-las de um bloco sólido. A fabricação aditiva está, portanto, longe da melhor tecnologia de fabricação para criar estruturas treliçadas.

Observe, no entanto, que as máquinas CNC podem efetivamente criar estruturas de treliça 2D, como grades, e essas treliças usinadas CNC específicas podem, de fato, ser mais fortes do que as treliças impressas em 3D.

Quais são as aplicações práticas das treliças impressas em 3D?

As estruturas treliçadas impressas em 3D já têm aplicações em muitos setores, uma vez que engenheiros e designers de produtos em todo o espectro comercial estão constantemente buscando maneiras de aumentar o peso e fortalecer as peças.

A redução de peso é especialmente importante na aeroespacial e automotivo indústrias, uma vez que as peças pesadas geralmente reduzem a velocidade do veículo e levam a um maior uso de combustível. Peças leves são, portanto, muito mais desejáveis.

Dado que as estruturas de treliça existem na arquitetura há centenas de anos, não é surpresa que versões miniaturizadas de treliças também estejam se tornando populares na arquitetura de hoje paisagem. E como as estruturas treliçadas podem ser projetadas com precisão, os pesquisadores encontraram maneiras de criar padrões 3D que reduzem o ruído, melhorando potencialmente os materiais isolantes para edifícios.

Treliças impressas em 3D também são encontradas em roupas e calçados , com empresas como a Adidas usando treliças de elastômero impressas em 3D para entressolas de tênis. Essas treliças fornecem uma almofada leve com uma enorme quantidade de ressalto – muito melhor e mais cientificamente justificável do que as onipresentes “bolhas de ar” da década de 1990.

Grades impressas em 3D com 3ERP

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