Noções básicas sobre treliças impressas em 3D:propriedades, desempenho e considerações de design

Os processos de manufatura aditiva (AM) permitem que os engenheiros desbloqueiem os recursos das estruturas treliçadas para aprimorar o desempenho de seus produtos. As treliças são microarquiteturas bidimensionais ou tridimensionais compostas por uma rede de nós e vigas, ou escoras, que reduzem drasticamente o peso e mantêm a integridade estrutural.

Há uma infinidade de tipos de rede disponíveis

Há uma infinidade de tipos de treliças disponíveis que possuem características únicas (modos de deformação, eficiência do material, etc.) e estética. Muitas dessas estruturas de treliça são inspiradas em estruturas cristalinas que ocorrem naturalmente. E devido a seus recursos inerentemente pequenos, as treliças são difíceis — ou quase impossíveis — de criar por meio de métodos de fabricação herdados.

A incorporação de estruturas treliçadas permite que os engenheiros explorem mais o espaço do projeto repensando o desempenho desejado de sua peça.

Por meio de técnicas de treliça, a massa geral da peça pode ser reduzida em 90% ou mais, ajustando com precisão os parâmetros de treliça às cargas físicas da peça.

Benefícios mecânicos

Os benefícios das treliças são bem conhecidos ao longo do tempo. Se você olhar de perto o suficiente, verá treliças na natureza (como osso, cristalografia de metal, etc.), bem como arquitetura moderna. Veja o exemplo da Torre Eiffel:a estrutura metálica da torre suporta eficientemente seu peso quando atinge o céu. Semelhante a uma treliça simples, esta estrutura autoportante é em volume, principalmente de ar. A alta relação resistência-peso possível com treliças permitiu essa tremenda conquista arquitetônica.

Da mesma forma, no projeto de produtos, os benefícios mecânicos das treliças (por exemplo, alta área de superfície, excelente absorção de choque, proteção contra impactos) capacitam os projetistas de produtos a desafiar as restrições da fabricação tradicional para criar novos – e muitas vezes com melhor desempenho.

Boa relação força/peso

Geralmente, existem dois caminhos para melhorar a relação resistência-peso de uma determinada peça. Por meio da fabricação tradicional, isso é obtido pela redução de materiais em áreas não críticas para otimizar o uso do material. Através da treliça, você pode remover material nas áreas críticas da peça. Embora a treliça reduza a resistência geral da peça, a economia de peso pode melhorar essa relação resistência-peso.

Área de superfície elevada

As treliças não são apenas leves, mas liberam uma grande quantidade de área de superfície – um benefício importante para produtos que facilitam as trocas de calor e reações químicas.

Considere trocadores de calor usados ​​em computadores em servidores e data centers. Normalmente, o desempenho do processador é limitado pela quantidade de calor produzida. O objetivo é retirar o calor do chip e expulsá-lo para a atmosfera, geralmente auxiliado por um ventilador. A eficiência geral deste sistema está ligada à quantidade de área de superfície no dissipador de calor (o pedaço de metal que retira o calor do chip). As treliças podem aumentar drasticamente a quantidade de área de superfície disponível ou, alternativamente, produzir essa quantidade de área de superfície de forma mais acessível, evitando procedimentos complexos de ferramentas. Na verdade, esse ganho de eficiência pode ser realizado em muitos tipos diferentes de aplicações de trocadores de calor, onde pequenos recursos com grandes áreas de superfície são difíceis ou quase impossíveis de criar sem manufatura aditiva.

Excelente absorção de choque e proteção contra impactos

As treliças também podem ajudar a proteger os produtos de quedas ou colisões, absorvendo melhor a energia do impacto. As treliças podem ser integradas a um produto — como um capacete de futebol americano — para reduzir o estresse de impacto ou usadas como um recurso de sacrifício para proteger os componentes críticos de um produto. Uma treliça pode, por exemplo, ser usada ao redor ou dentro de componentes eletrônicos para protegê-la de um evento dinâmico, como uma queda acidental muito comum.

Vibração desejável e amortecimento de ruído

As treliças fabricadas aditivamente também oferecem aos engenheiros uma nova maneira de eliminar ruídos mecânicos — como vibrações — que podem ser desconfortáveis ​​para os usuários e até mesmo degradar o desempenho da máquina.

As treliças são eficazes no amortecimento de vibrações devido à sua baixa rigidez e capacidade de suportar e recuperar grandes deformações. As treliças podem, por exemplo, ser integradas em uma almofada de isolamento em equipamentos pesados ​​para reduzir a quantidade de energia que entra no sistema de fabricação. A natureza ajustável das treliças permite que os engenheiros refinem os projetos para corresponder à sua aplicação específica.

Desbloqueie o potencial das treliças aderindo aos princípios do DFAM

É verdade que a manufatura aditiva pode abrir muitas oportunidades de novos produtos, mas existem fatores de design que você precisa conhecer antes de imprimir uma estrutura funcional. É aqui que entra o projeto para manufatura aditiva (DFAM). O DFAM ajuda os engenheiros de projeto a garantir que suas peças impressas correspondam à intenção do projeto.

Algumas considerações importantes do DFAM incluem estrutura da célula de rede, tamanho e densidade da célula, seleção de material e orientação da célula.

• Estrutura celular
  Há uma vasta gama de estruturas celulares, que são a unidade repetida em uma rede. A lista de estruturas celulares é muito longa e crescente. As estruturas celulares mais comuns incluem cúbica, estrela, octeto, hexagonal, diamante e tetraedro, para citar algumas. As estruturas celulares podem ser ajustadas e até misturadas para obter a resposta desejada para o seu sistema, mas sua seleção tem implicações. Algumas estruturas são mais eficientes (maior relação rigidez-peso), outras amortecem melhor a energia e algumas são um pouco mais esteticamente agradáveis. Os pontos fortes e as vantagens precisam ser pesados ​​uns contra os outros para fazer a escolha certa para sua parte.
• Tamanho e densidade da célula
  O tamanho e a densidade da célula referem-se ao tamanho de uma célula unitária individual e quantas células são repetidas dentro de um espaço. O tamanho da célula em si depende da espessura e comprimento de seus membros e nós de conexão. Células maiores podem ser mais fáceis de imprimir, mas também podem ser mais rígidas; da mesma forma, células menores permitem respostas mais homogêneas do sistema, mas são limitadas pelos tamanhos dos recursos.

• Seleção de materiais
  O material escolhido pode definir quais propriedades de rede são possíveis. Materiais elastoméricos ou macios geralmente requerem uma população de células menor e mais densa para reduzir a curvatura durante a impressão. Alternativamente, treliças impressas com um material mais rígido geralmente permitem uma maior variedade de design com membros mais finos e tamanhos de células maiores.
• Orientação da célula
  O ângulo em que uma célula é impressa pode afetar o sucesso de uma impressão porque influencia a quantidade e o posicionamento dos suportes necessários. Em geral, uma rede bem escolhida e orientada é autoportante, não necessitando de suportes separados. Muitas vezes, uma estrutura pode ser girada para reduzir os suportes. Pense em uma grande treliça cúbica - se impressa diretamente na plataforma de construção, os membros horizontais não serão suportados. No entanto, se a estrutura for simplesmente girada 45 graus, os membros agora são autoportantes.

As células unitárias repetidas de uma treliça abrem a porta para inúmeros tamanhos, formas e atributos de desempenho. A natureza complexa inerente dos reticulados os torna quase impossíveis de criar de outra forma que não seja a manufatura aditiva.

Se você nunca projetou com treliças antes, pode ser bom procurar um especialista que possa ajudá-lo a começar. Na Fast Radius, nossa equipe é especializada em maximizar o valor total do aditivo, desde o desenvolvimento de produtos de melhor desempenho com treliças até a eficiência da cadeia de suprimentos por meio da produção sob demanda e armazenamento virtual. Para saber mais sobre o valor potencial do aditivo — ou para começar a projetar um produto para processos de AM — entre em contato conosco hoje mesmo.

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