Comprensión de las celosías impresas en 3D:propiedades, rendimiento y consideraciones de diseño

Los procesos de fabricación aditiva (AM) permiten a los ingenieros desbloquear las capacidades de las estructuras de celosía para mejorar el rendimiento de sus productos. Las celosías son microarquitecturas bidimensionales o tridimensionales compuestas por una red de nodos y vigas, o puntales, que reducen drásticamente el peso y conservan la integridad estructural.

Hay una gran variedad de tipos de celosía disponibles

Hay una miríada de tipos de celosía disponibles que tienen características únicas (modos de deformación, eficiencia del material, etc.) y estética. Muchas de estas estructuras reticulares están inspiradas en estructuras cristalinas naturales. Y debido a sus características inherentemente pequeñas, las celosías son difíciles, o casi imposibles, de crear a través de métodos de fabricación heredados.

La incorporación de estructuras de celosía permite a los ingenieros explorar más el espacio de diseño al repensar el rendimiento deseado de su pieza.

A través de técnicas de entramado, la masa total de la pieza se puede reducir en un 90 % o más ajustando con precisión los parámetros del entramado a las cargas físicas de la pieza.

Ventajas mecánicas

Los beneficios de las celosías han sido bien conocidos a lo largo del tiempo. Si mira lo suficientemente cerca, verá celosías en la naturaleza (como hueso, cristalografía de metal, etc.) así como arquitectura moderna. Tome el ejemplo de la Torre Eiffel:la estructura metálica de la torre soporta eficientemente su peso mientras alcanza el cielo. Similar a una simple celosía, esta estructura autoportante es por volumen, mayoritariamente aire. La alta relación resistencia-peso posible con las celosías permitió este tremendo logro arquitectónico.

De manera similar, en el diseño de productos, los beneficios mecánicos de las celosías (p. ej., gran área de superficie, excelente absorción de impactos, protección contra impactos) permiten a los diseñadores de productos desafiar las limitaciones de la fabricación tradicional para crear productos nuevos y, a menudo, de mayor rendimiento.

Buena relación resistencia-peso

En general, hay dos caminos para mejorar la relación resistencia-peso de una pieza determinada. A través de la fabricación tradicional, se logra mediante la reducción de materiales en áreas no críticas para optimizar el uso del material. A través del enrejado, puede eliminar material en las áreas críticas de la pieza. Aunque el entramado reduce la resistencia general de la pieza, el ahorro de peso puede mejorar esta relación resistencia-peso.

Alta superficie

Las redes no solo son livianas, sino que desbloquean una gran cantidad de área de superficie, un beneficio clave para los productos que facilitan los intercambios de calor y las reacciones químicas.

Considere los intercambiadores de calor utilizados en computadoras en servidores y centros de datos. Normalmente, el rendimiento del procesador está limitado por la cantidad de calor producido. El objetivo es eliminar el calor del chip y expulsarlo a la atmósfera, generalmente con la ayuda de un ventilador. La eficiencia general de este sistema está vinculada a la cantidad de área de superficie en el disipador de calor (la pieza de metal que extrae el calor del chip). Las celosías pueden aumentar drásticamente la cantidad de área de superficie disponible o, alternativamente, producir esa cantidad de área de superficie de manera más económica al evitar procedimientos de herramientas complejos. De hecho, esta ganancia de eficiencia se puede realizar en muchos tipos diferentes de aplicaciones de intercambiadores de calor, donde las características pequeñas con áreas de superficie grandes son difíciles o casi imposibles de crear sin la fabricación aditiva.

Excelente absorción de impactos y protección contra impactos

Las celosías también pueden ayudar a proteger los productos de caídas o colisiones al absorber mejor la energía del impacto. Las celosías pueden integrarse en un producto, como un casco de fútbol americano, para reducir la tensión de impacto o usarse como una característica de sacrificio para proteger los componentes críticos de un producto. Una celosía podría, por ejemplo, usarse alrededor o dentro de componentes electrónicos para protegerlos de un evento dinámico, como una caída accidental demasiado común.

Amortiguación deseable de vibraciones y ruidos

Las celosías fabricadas de forma aditiva también brindan a los ingenieros una nueva forma de eliminar el ruido mecánico, como las vibraciones, que pueden ser incómodos para los usuarios e incluso degradar el rendimiento de la máquina.

Las redes son eficaces para amortiguar las vibraciones debido a su baja rigidez y capacidad para soportar y recuperar grandes deformaciones. Las celosías podrían, por ejemplo, integrarse en una almohadilla aislante en equipos pesados ​​para reducir la cantidad de energía que ingresa al sistema de fabricación. La naturaleza ajustable de las celosías permite a los ingenieros refinar los diseños para que coincidan con su aplicación particular.

Libere el potencial de las redes al adherirse a los principios de DFAM

Es cierto que la fabricación aditiva puede abrir muchas oportunidades de nuevos productos, pero hay factores de diseño que debe reconocer antes de imprimir una red funcional. Aquí es donde interviene el diseño para la fabricación aditiva (DFAM). DFAM ayuda a los ingenieros de diseño a garantizar que sus piezas impresas coincidan con la intención del diseño.

Algunas consideraciones importantes de DFAM incluyen la estructura de la celda reticular, el tamaño y la densidad de la celda, la selección de materiales y la orientación de la celda.

• Estructura celular
  Hay una gran variedad de estructuras celulares, que son la unidad repetida en una red. La lista de estructuras celulares es muy larga y en constante crecimiento. Las estructuras de celdas más comunes incluyen cúbica, estrella, octeto, hexagonal, diamante y tetraedro, por nombrar algunas. Las estructuras de celdas se pueden ajustar e incluso mezclar para obtener la respuesta deseada para su sistema, pero su selección tiene implicaciones. Algunas estructuras son más eficientes (mayores proporciones de rigidez a peso), otras amortiguan mejor la energía y algunas son un poco más agradables estéticamente. Las fortalezas y ventajas deben sopesarse entre sí para tomar la decisión correcta para su parte.
• Tamaño y densidad celular
  El tamaño y la densidad de celda se refieren al tamaño de una celda unitaria individual y cuántas celdas se repiten dentro de un espacio. El tamaño de la celda en sí depende del grosor y la longitud de sus miembros y nodos de conexión. Las celdas más grandes pueden ser más fáciles de imprimir pero también pueden actuar más rígidas; Del mismo modo, las celdas más pequeñas permiten respuestas más homogéneas del sistema, pero están limitadas por el tamaño de las funciones.

• Selección de materiales
  Su material elegido puede definir qué propiedades de red son posibles. Los materiales elastoméricos o blandos generalmente requieren una población celular más pequeña y más densa para reducir el pandeo durante la impresión. Alternativamente, las celosías impresas con un material más rígido generalmente permiten un mayor rango de diseño con miembros más delgados y tamaños de celda más grandes.
• Orientación de celda
  El ángulo en el que se imprime una celda puede afectar el éxito de una impresión porque influye en la cantidad y la ubicación de los soportes necesarios. En general, una celosía bien elegida y orientada es autoportante, por lo que no requiere soportes separados. A menudo, una estructura se puede girar para reducir los soportes. Piense en una armadura cúbica grande:si se imprime directamente en la plataforma de construcción, los miembros horizontales no tendrán soporte. Sin embargo, si la estructura simplemente se gira 45 grados, los miembros ahora son autosuficientes.

Las celdas unitarias repetidas de una red abren la puerta a innumerables tamaños, formas y atributos de rendimiento. La naturaleza inherentemente compleja de las celosías hace que sea casi imposible crearlas de otra forma que no sea la fabricación aditiva.

Si nunca antes ha diseñado con celosías, puede ser bueno recurrir a un experto que pueda ayudarlo a comenzar. En Fast Radius, nuestro equipo se especializa en maximizar el valor total de los aditivos, desde desarrollar productos de mejor rendimiento con entramados hasta impulsar la eficiencia de la cadena de suministro a través de la producción bajo demanda y el almacenamiento virtual. Para obtener más información sobre el valor potencial de los aditivos, o para comenzar a diseñar un producto para procesos de AM, comuníquese con nosotros hoy.

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