Estructuras reticulares 3D:elementos de diseño y respuestas mecánicas

Las estructuras de celosía son patrones repetitivos que, cuando se conectan, forman formas tridimensionales. En un contexto de fabricación aditiva, las estructuras reticulares compatibles abren interesantes posibilidades de diseño de productos a medida que los diseñadores aprovechan las tecnologías de impresión 3D para crear formas y piezas que antes eran imposibles de hacer. Cuando están hechas de elastómeros, las estructuras reticulares impresas en 3D son altamente deformables y sus propiedades mecánicas les permiten ajustarse en una amplia gama de respuestas y usarse en un espectro de industrias.

Sin embargo, el diseño de estructuras reticulares 3D compatibles requiere experiencia en fabricación, sin mencionar las herramientas de software adecuadas. En Fast Radius, hemos diseñado y probado estructuras reticulares impresas en 3D para una amplia gama de diferentes productos y aplicaciones. Hemos utilizado simulación por computadora para crear una gran biblioteca de datos, clasificando diferentes estructuras de celosía y sus propiedades mecánicas.

Si está buscando el tipo correcto de estructura de celosía 3D para su proyecto de fabricación, es vital que comprenda cómo los diferentes elementos de diseño afectarán las respuestas mecánicas de su pieza terminada. Con eso en mente, para ayudarlo a explorar el potencial de fabricación aditiva de su proyecto, hemos elaborado una breve guía de elementos clave de diseño de celosía en 3D, junto con cuatro ejemplos de estructuras de celosía compatibles seleccionadas de nuestra biblioteca.

Elementos de diseño clave para estructuras reticulares 3D de elastómero

Los proyectos de estructura de celosía 3D de elastómero comúnmente consideran algunos o todos los siguientes cuatro elementos de diseño:

• Geometría: La geometría de una red se refiere al tamaño físico y la forma de sus componentes, y cómo se organiza su patrón a lo largo de la estructura de una parte. Cuando se repiten, las unidades individuales dentro de la estructura de una red se conocen colectivamente como celdas unitarias, haciendo referencia a la forma en que una estructura de red está inspirada en las estructuras celulares y cristalinas que se ven en la naturaleza.
• Rigidez/módulo: La rigidez, o módulo, de la red se refiere a la fuerza requerida para deformar su estructura. El módulo se define normalmente para pequeñas deformaciones cuando la respuesta de la red es totalmente elástica.
• Respuesta de pandeo: La respuesta de pandeo describe la forma en que cede una estructura de celosía y depende de la inestabilidad estructural de los elementos de la celosía a medida que se deforman. No todas las estructuras de celosía exhiben pandeo, y el pandeo no siempre es una característica deseable.
• Disipación de energía: La disipación de energía de una estructura reticular se refiere a su capacidad para absorber energía mientras se deforma.

Ejemplos de tipos de estructuras reticulares impresas en 3D

Estructura de celosía 3D cúbica simple

Esta celosía cúbica simple tiene un tamaño de celda unitaria de 7,5 mm y un ancho de armadura de 2 mm. El módulo es de 0,72 MPa.

Respuesta de pandeo: Esta estructura de la red cúbica simple exhibe inestabilidad de pandeo. Después de una deformación de alrededor de 0,05, el módulo es constante en una meseta de tensión de 25 kPa. La deformación adicional no aumenta el módulo.

Disipación de energía: La red Cúbica Simple tiene un comportamiento de pandeo inelástico que produce una respuesta diferente cuando se carga y se descarga. El comportamiento inelástico se puede utilizar para muchos propósitos, incluida la disipación de energía.

Aplicaciones: La respuesta de pandeo de esta celosía cúbica simple produce un umbral de fuerza que la convierte en una buena candidata para aplicaciones de protección personal y para proteger componentes sensibles. Este tipo de celosía también es efectivo para llenar espacios entre componentes en ensamblajes.

Estructura reticular 3D de celda Kelvin

Esta red de celdas de Kelvin tiene un tamaño de celda unitaria de 10 mm y un ancho de armadura de 2 mm. El módulo es de 0,44 MPa.

Respuesta de pandeo: A diferencia de la red cúbica simple, la estructura de red de celdas de Kelvin tiene un punto de pandeo bajo, lo que significa que sus vigas se estiran en respuesta a la fuerza. La red de celdas de Kelvin no tiene una meseta y se comprime continuamente con una rigidez elástica simple hasta que se compacta por completo.

Disipación de energía: La red de celdas de Kelvin almacena energía con su deformación elástica y vuelve rápidamente a su forma original, como un resorte, cuando se elimina la fuerza.

Aplicaciones: La red de celdas de Kelvin es un buen candidato para el reemplazo de espuma en productos bajo compresión estática, como cojines de asientos o almohadillas para el cuerpo. Con sus intrincadas celdas hexagonales, la red de celdas de Kelvin es visualmente impactante, lo que la convierte en una opción para aplicaciones estéticas y de moda.

Estructura de celosía 3D centrada en el cuerpo

Esta red centrada en el cuerpo tiene un tamaño de celda unitaria de 10 mm y un ancho de viga de 2 mm. El módulo es de 0,07 MPa.

Respuesta de pandeo: La estructura reticular centrada en el cuerpo tiene una respuesta de estiramiento, lo que significa que responde con una fuerza creciente por unidad de desplazamiento hasta que se compacta por completo. Su módulo es mucho más bajo en comparación con la red cúbica simple y no tiene una tensión de meseta.

Disipación de energía: Al igual que la unidad Kelvin, la red centrada en el cuerpo almacena energía con su deformación elástica y vuelve a su forma original como un resorte cuando se elimina la fuerza.

Aplicaciones: Con su respuesta elástica de alta tensión, la red centrada en el cuerpo es una buena candidata para reemplazar la espuma en productos bajo compresión estática. Los puntales en ángulo que apuntan hacia el centro de la celda hacen que su respuesta sea uniforme y consistente.

Estructura de celosía 3D cúbica centrada en el cuerpo (BCC)

La retícula cúbica centrada en el cuerpo (BCC) combina la retícula centrada en el cuerpo y la retícula cúbica simple en una sola estructura. Esta red tiene un tamaño de celda unitaria de 7,5 mm y un ancho de armadura de 1 mm. El módulo es de 0,23 MPa, que es más alto que las redes cúbicas simples y cúbicas centradas en el cuerpo enumeradas anteriormente.

Respuesta de pandeo: Dado que la red BCC combina dos tipos de redes impresas en 3D, su respuesta es una combinación de ambas. Esta red se pandea como la red Cúbica Simple con una tensión de meseta (0,12 MPa), pero tiene un comportamiento posterior al pandeo más estable.

Disipación de energía: Debido a que la red BCC combina una respuesta elástica y de pandeo, es posible ajustar el almacenamiento y la disipación de energía para servir a aplicaciones específicas.

Aplicaciones: La red BCC es particularmente útil para aplicaciones que se benefician de una respuesta elástica y de pandeo personalizada. También funciona bien cuando un producto requiere disipación de energía con una respuesta más estable que el pandeo puro que se ve en la red cúbica simple.

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