Projetando Estruturas de Treliça 3D: Princípios, Mecânica e Aplicações

Estruturas de treliça são padrões repetitivos que, quando conectados, formam formas tridimensionais. Em um contexto de manufatura aditiva, estruturas de treliça conformes abrem possibilidades empolgantes de design de produto à medida que designers aproveitam tecnologias de impressão 3D para criar formas e peças anteriormente "infabricáveis". Quando feitas de elastômeros, estruturas de treliça 3D impressas são altamente deformáveis e suas propriedades mecânicas permitem que sejam ajustadas em uma ampla gama de respostas, e usadas em um espectro de indústrias.

No entanto, projetar estruturas de treliça 3D conformes requer expertise em manufatura — sem mencionar as ferramentas de software certas. Na Fast Radius, projetamos e testamos estruturas de treliça 3D impressas para uma vasta gama de diferentes produtos e aplicações. Usamos simulação computacional 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 manufatura, é vital que você entenda como diferentes elementos de design afetarão as respostas mecânicas de sua peça final. Com isso em mente, para ajudar você a explorar o potencial de manufatura aditiva do seu projeto, reunimos um breve guia dos principais elementos de design de treliça 3D — junto com quatro exemplos de estruturas de treliça conformes selecionadas de nossa biblioteca.

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

Projetos de estrutura de treliça 3D de elastômero comumente consideram alguns ou todos dos seguintes quatro elementos de design:

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

Tipos de exemplo de estrutura de treliça 3D impressa

Estrutura de treliça 3D cúbica simples

Esta treliça Cúbica Simples tem tamanho de célula unitária de 7,5 mm e largura de treliça de 2 mm. O módulo é 0,72 MPa.

Resposta de flambagem: Esta estrutura de treliça Cúbica Simples exibe instabilidade de flambagem. Após uma deformação de cerca de 0,05, o módulo é constante em um platô de tensão de 25 kPa. Deformação adicional não aumenta o módulo.

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

Aplicações: A resposta de flambagem desta treliça Cúbica Simples produz um limiar de força que a torna uma boa candidata para aplicações de proteção pessoal e para blindagem de componentes sensíveis. Este tipo de treliça também é eficaz para preencher lacunas entre componentes em montagens.

Estrutura de treliça 3D célula Kelvin

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

Resposta de flambagem: Diferente da treliça Cúbica Simples, a estrutura de treliça de célula Kelvin tem um ponto de flambagem baixo, significando que suas vigas se esticam em resposta à força. A treliça de célula Kelvin não tem platô e comprime continuamente com uma rigidez elástica simples até ser totalmente compactada.

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

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

Estrutura de treliça 3D centrada no corpo

Esta treliça Centrada no Corpo tem tamanho de célula unitária de 10 mm e largura de treliça de 2 mm. O módulo é 0,07 MPa.

Resposta de flambagem: A estrutura de treliça Centrada no Corpo tem uma resposta de alongamento, significando que responde com força crescente por unidade de deslocamento até ser totalmente compactada. Seu módulo é muito menor comparado à treliça Cúbica Simples, e não tem tensão de platô.

Dissipação de energia: Como a unidade Kelvin, a treliça Centrada no Corpo armazena energia com sua deformação elástica e retorna à sua forma original muito como uma mola quando a força é removida.

Aplicações: Com sua resposta elástica de alta deformação, a treliça Centrada no Corpo é uma boa candidata para substituição de espuma em produtos sob compressão estática. As vigas angulares apontando para o centro da célula tornam sua resposta uniforme e consistente.

Estrutura de treliça 3D Cúbica Centrada no Corpo (BCC)

A treliça Cúbica Centrada no Corpo (BCC) combina a treliça Centrada no Corpo e a treliça Cúbica Simples em uma única estrutura. Esta treliça tem tamanho de célula unitária de 7,5 mm e largura de treliça de 1 mm. O módulo é 0,23 MPa — que é maior que as treliças Cúbica Simples e Centrada no Corpo listadas acima.

Resposta de flambagem: Como a treliça BCC combina dois tipos de treliça 3D impressa, sua resposta é uma combinação de ambas. Esta treliça flambagem 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 treliça BCC combina tanto uma resposta elástica quanto de flambagem, é possível ajustar armazenamento e dissipação de energia para servir aplicações específicas.

Aplicações: 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 que a flambagem pura vista na treliça Cúbica Simples.

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As quatro estruturas destacadas acima apenas arranham a superfície do que é possível com um design de estrutura de treliça 3D elastomérica. Para saber mais, explore nossos estudos de caso e descubra como empresas como Rawlings e Steelcase criaram produtos inovadores usando estruturas de treliça 3D impressas. Se você está pronto para começar seu próprio projeto de impressão 3D, entre em contato conosco hoje e torne seu próximo projeto possível.

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