Dominando Estruturas de Treliça Impressas em 3D: Design, Propriedades e Insights de Desempenho

Processos de manufatura aditiva (AM) permitem que engenheiros desbloqueiem as capacidades de estruturas de treliça para melhorar o desempenho de seus produtos. Treliças são microarquiteturas bidimensionais ou tridimensionais compostas por uma rede de nós e vigas, ou montantes, que reduzem drasticamente o peso e mantêm a integridade estrutural.

Existem Inúmeros Tipos de Treliças Disponíveis

Existem inúmeros tipos de treliças disponíveis que têm características únicas (modos de deformação, eficiência de material, etc.) e estéticas. Muitas dessas estruturas de treliça são inspiradas em estruturas cristalinas naturalmente ocorrentes. E devido às suas características inerentemente pequenas, treliças são difíceis — ou quase impossíveis — de criar através de métodos de fabricação legados.

A incorporação de estruturas de treliça permite que engenheiros explorem mais do espaço de design repensando o desempenho desejado de sua peça.

Através de técnicas de treliça, a massa total da peça pode ser reduzida em 90% ou mais, ajustando precisamente os parâmetros da treliça às cargas físicas na peça.

Benefícios Mecânicos

Os benefícios das treliças são conhecidos há muito tempo. Se você olhar de perto, verá treliças na natureza (como ossos, cristalografia de metais, etc.) assim como na arquitetura moderna. Pegue o exemplo da Torre Eiffel: a estrutura metálica da torre suporta eficientemente seu peso enquanto alcança o céu. Similar a uma treliça simples, esta estrutura auto-sustentável é, em volume, principalmente ar. A alta relação resistência-peso possível com treliças permitiu esta conquista arquitetônica tremenda.

Similarmente, no design de produtos, os benefícios mecânicos das treliças (ex.: alta área de superfície, excelente absorção de choque, proteção contra impacto) capacitam designers de produtos a desafiar as restrições da fabricação tradicional para criar produtos novos — e frequentemente de maior desempenho.

Boa Relação Resistência-Peso

Geralmente, existem dois caminhos para melhorar a relação resistência-peso de uma determinada peça. Através da fabricação tradicional, isso é alcançado reduzindo material em áreas não críticas para otimizar o uso do material. Através de treliças, você é capaz de remover material nas áreas críticas da peça. Embora a treliça reduza a resistência geral da peça, a economia de peso pode melhorar esta relação resistência-peso.

Alta Área de Superfície

Treliças não são apenas leves, mas desbloqueiam uma grande quantidade de área de superfície — um benefício chave para produtos que facilitam trocas de calor e reações químicas.

Considere trocadores de calor usados em computadores em servidores e data centers. Tipicamente, o desempenho do processador é limitado pela quantidade de calor produzida. O objetivo é remover o calor do chip e expeli-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 (a peça de metal que puxa o calor do chip). Treliças podem aumentar dramaticamente 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. De fato, este ganho de eficiência pode ser realizado em muitos tipos diferentes de aplicações de trocadores de calor, onde pequenas características com grandes áreas de superfície são difíceis ou quase impossíveis de criar sem manufatura aditiva.

Excelente Absorção de Choque e Proteção contra Impacto

Treliças também podem ajudar a proteger produtos de quedas ou colisões absorvendo melhor a energia de impacto. Treliças podem ser integradas a um produto — como um capacete de futebol — para reduzir o estresse de impacto ou usadas como uma característica sacrificial para proteger os componentes críticos de um produto. Uma treliça poderia, por exemplo, ser usada ao redor ou dentro de componentes eletrônicos para protegê-los de um evento dinâmico, como uma queda acidental muito comum.

Amortecimento de Vibração e Ruído Desejável

Treliças fabricadas aditivamente também dão aos engenheiros uma nova maneira de eliminar ruído mecânico — como vibrações — que podem ser desconfortáveis para usuários e até degradar o desempenho de máquinas.

Treliças são eficazes no amortecimento de vibrações devido às suas baixas rigidezes e capacidade de suportar e recuperar grandes deformações. Treliças poderiam, por exemplo, ser integradas em uma almofada isolante em equipamentos pesados para reduzir a quantidade de energia entrando no sistema de fabricação. A natureza ajustável das treliças permite que engenheiros refinem designs para corresponder à sua aplicação particular.

Desbloqueie o Potencial de Treliças Aderindo a Princípios DFAM

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

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

• Estrutura da célula
  Existe uma vasta gama de estruturas de células, que são a unidade repetida em uma treliça. A lista de estruturas de células é muito longa e sempre crescendo. As estruturas de células mais comuns incluem cúbica, estrela, octaedro, hexagonal, diamante e tetraedro, para citar algumas. Estruturas de células podem ser ajustadas e até misturadas para obter a resposta desejada para seu sistema, mas sua seleção tem implicações. Algumas estruturas são mais eficientes (razões rigidez-peso mais altas), outras amortecem energia melhor, e algumas são um pouco mais esteticamente agradáveis. Os pontos fortes e vantagens precisam ser pesados uns contra os outros para fazer a escolha certa para sua peça.
• Tamanho e densidade da célula
  Tamanho e 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 agir de forma mais rígida; da mesma forma, células menores permitem respostas de sistema mais homogêneas, mas são limitadas por tamanhos de recursos.

• Seleção de material
  Seu material escolhido pode definir quais propriedades de treliça são possíveis. Materiais elásticos ou macios geralmente requerem uma população de células menor e mais densa para reduzir o afundamento durante a impressão. Alternativamente, treliças impressas com um material mais rígido geralmente permitem uma faixa de design maior 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 colocação de suportes necessários. Em geral, uma treliça bem escolhida e orientada é auto-sustentável, o que não requer suportes separados. Frequentemente, uma estrutura pode ser rotacionada para reduzir suportes. Pense em uma grande treliça cúbica — se impressa diretamente na plataforma de construção, membros horizontais serão não suportados. No entanto, se a estrutura for simplesmente rotacionada 45 graus, os membros agora são auto-sustentáveis.

As células unitárias repetidas de uma treliça abrem a porta para incontáveis tamanhos, formas e atributos de desempenho. A natureza complexa inerente das treliças as torna quase impossíveis de criar de qualquer outra forma que não a manufatura aditiva.

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

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