Maximiza la absorción de ruido e impactos con estructuras de celosía impresas en 3D

Por Tristan Antonsen, Ingeniero de Aplicaciones, Fast Radius

Las celosías son estructuras tridimensionales que consisten en una serie de celdas unitarias repetitivas creadas por un patrón de vigas y nodos intersectados. Estas micro-arquitecturas han ganado popularidad en años recientes por varias razones, incluyendo su capacidad para permitir la producción de piezas ligeras que tienen características de material e integridad estructural comparables a componentes heredados —y a menudo con menos material excedente. Las celosías también se emplean para absorber impacto, ruido y amortiguar vibraciones, porque pueden tener baja rigidez y la capacidad de soportar y recuperarse de tensiones.

Esto tiene algunas aplicaciones reales quizás sorprendentes. Impresionados por lo que nuestros socios en Carbon están logrando con su pionera tecnología Digital Light Synthesis™, el gigante de ropa deportiva Adidas contactó para diseñar una entresuela para zapatillas atléticas que incorpora la alta absorción de impactos que las celosías proporcionan. Los requisitos de material presentaban un desafío: la suela necesitaba ser resistente y flexible, para proporcionar un excelente rebote y minimizar el impacto en el cuerpo del atleta. La tecnología de Carbon estuvo a la altura —el resultado es la impresionante entresuela Adidas Futurecraft 4D de alto rendimiento, que ofrece una absorción de impactos excepcional en un volumen de componente pequeño.

Aquí tienes lo que los gerentes de producto necesitan saber sobre cómo las celosías pueden usarse para proporcionar amortiguación de vibraciones y disipación de energía máximas.

Todo sobre celosías

En general, el tamaño pequeño y la geometría compleja de las celosías las hace difíciles de crear mediante métodos de fabricación sustractiva tradicionales; las celosías se producen típicamente mediante procesos de impresión 3D.

Una ventaja clave del diseño para fabricación aditiva es que permite a los gerentes de producto implementar un proceso de diseño inverso, lo que significa que pueden diseñar características de material óptimas para ajustarse a la aplicación dada en lugar de intentar encontrar un material adecuado que ya exista.

Algunos materiales son inherentemente mejores disipando energía —EPU 40 es un mejor material de amortiguación de vibraciones que EPU 41, por ejemplo— y elegir un material que se alinee con las características requeridas de las aplicaciones de la pieza permite a los fabricantes aumentar la absorción de impactos de sus componentes.

Si bien la elección del material juega un papel significativo en la capacidad de una celosía para amortiguar vibraciones y disipar energía, el diseño de la celosía, en la mayoría de los casos, tiene un efecto más significativo en el efecto de amortiguación de una pieza. A nivel macro, las estructuras de celosía se diseñan típicamente para doblarse o plegarse bajo impacto. Las celosías de flexión son muy elásticas y elásticas, mientras que las celosías de plegado permiten que las vigas individuales cedan y se doblen, lo que es extremadamente efectivo para disipar energía. Tratamientos de amortiguación de capa libre también pueden aplicarse a las piezas.

A nivel granular, el patrón repetitivo de vigas y nodos que compone la celosía se llama celdas unitarias. Hay un número enorme de combinaciones potenciales de nodos y vigas, pero las celdas unitarias abiertas y dispersas típicamente crean celosías suaves, mientras que las celdas unitarias con mayor concentración de triángulos y vigas generalmente crean estructuras rígidas.

El tipo, tamaño y orientación de la celda tienen un efecto directo en la relación de amortiguación del material de una celosía, y los cambios en el grosor relativo de las vigas comparado con el tamaño de la celda unitaria harán que la celosía exhiba comportamientos drásticamente diferentes —todo lo cual debe considerarse para maximizar la absorción de impactos y disipación de energía.

Diseñando celosías para fabricación

Si bien los métodos aditivos han permitido a los fabricantes crear cosas que antes no eran posibles, las celosías aún deben diseñarse bien para cumplir efectivamente sus funciones previstas. Al incorporar principios de diseño para fabricación aditiva (DFAM), los ingenieros pueden ayudar a usar las propiedades específicas del proceso de impresión 3D para asegurar que sus estructuras de celosía sean maximamente efectivas absorbiendo impacto, sonido y vibración.

Dos consideraciones importantes de DFAM son la estructura y orientación de las celdas unitarias de una celosía. La celosía debe ser ante todo imprimible. Esto incluye consideraciones como proceso de impresión, orientación de impresión y, a veces, estructuras de soporte en el diseño para asegurar la viabilidad de la pieza.

La orientación de las celdas de la celosía crea inherentemente piezas anisotrópicas, lo que significa que los componentes se comportan de manera diferente en una dirección que en otra. Esto no es necesariamente una desventaja —si una celosía necesita comportarse en una dirección (como es el caso de las celosías de plegado), los gerentes de producto deben asegurar que la orientación de la celda de la estructura esté correctamente alineada en esa dirección.

Cuando se implementa correctamente, DFAM permite a los fabricantes sortear las limitaciones de los métodos de fabricación heredados y hacer cosas completamente nuevas posibles. En muchos casos, las piezas producidas aditivamente que incorporan estructuras de celosía son de calidad comparable, si no superior, a las creadas mediante procesos heredados.

Descubre cómo Fast Radius impulsa la innovación en fabricación

Las estructuras de celosía son un método versátil y efectivo para crear piezas que absorben y disipan impacto, sonido y vibración. Las consideraciones clave en el diseño de celosías implican definir claramente los requisitos por adelantado, seleccionar materiales apropiados basados en estos requisitos y la funcionalidad deseada de la celosía, y arquitectar la estructura de la celosía en consecuencia. Elegir el mejor material para amortiguación de vibraciones basado en características de rendimiento requeridas es el lugar ideal para comenzar, ya que esto ayudará a maximizar las capacidades de disipación de energía y absorción de impactos de la pieza.

Fast Radius está comprometido a usar tecnologías de vanguardia, así como métodos probados, para hacer cada fabricación más eficiente y efectiva. Trabajamos con cada uno de nuestros clientes para optimizar piezas para diseño y fabricabilidad, porque nos enorgullece entregar componentes de calidad superior a tiempo y a precios competitivos. Contáctanos hoy para descubrir cómo podemos ayudar.