Diseño de estructuras de celosía 3D: Principios, mecánica y aplicaciones

Las estructuras de celosía son patrones repetitivos que, cuando se conectan, forman formas tridimensionales. En un contexto de fabricación aditiva, las estructuras de celosía flexibles (compliant) abren emocionantes posibilidades de diseño de producto mientras los diseñadores aprovechan las tecnologías de impresión 3D para crear formas y piezas previamente "infabricables". Cuando se fabrican con elastómeros, las estructuras de celosía 3D impresas son altamente deformables y sus propiedades mecánicas permiten ajustarlas en una amplia gama de respuestas, y usarlas en un espectro de industrias.

Sin embargo, diseñar estructuras de celosía 3D flexibles requiere experiencia en manufactura — sin mencionar las herramientas de software adecuadas. En Fast Radius, hemos diseñado y probado estructuras de celosía 3D impresas para una vasta gama de diferentes productos y aplicaciones. Hemos usado 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 manufactura, es vital que entienda cómo diferentes elementos de diseño afectarán las respuestas mecánicas de su pieza terminada. Con eso en mente, para ayudarle a explorar el potencial de fabricación aditiva de su proyecto, hemos preparado una guía breve sobre elementos clave de diseño de celosía 3D — junto con cuatro ejemplos de estructuras de celosía flexibles seleccionadas de nuestra biblioteca.

Elementos clave de diseño para estructuras de celosía 3D de elastómero

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

• Geometría: La geometría de una celosía se refiere al tamaño físico y forma de sus componentes — y cómo su patrón se distribuye a través de la estructura de una pieza. Donde se repiten, las unidades individuales dentro de la estructura de una celosía se conocen colectivamente como celdas unitarias (unit cells) — referenciando la forma en que una estructura de celosía se inspira en las estructuras celulares y cristalinas vistas en la naturaleza.
• Rigidez/módulo: La rigidez, o módulo, de la celosía se refiere a la fuerza requerida para deformar su estructura. El módulo se define típicamente para deformaciones pequeñas cuando la respuesta de la celosía es totalmente elástica.
• Respuesta de pandeo: La respuesta de pandeo describe cómo una estructura de celosía cede, 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 de celosía se refiere a su capacidad para absorber energía mientras se deforma.

Tipos de ejemplo de estructura de celosía 3D impresa

Estructura de celosía 3D cúbica simple

Esta celosía Cúbica Simple tiene un tamaño de celda unitaria de 7.5 mm y un ancho de cercha de 2 mm. El módulo es 0.72 MPa.

Respuesta de pandeo: Esta estructura de la celosía Cúbica Simple exhibe inestabilidad de pandeo. Después de una deformación de aproximadamente 0.05, el módulo es constante en una meseta de esfuerzo de 25 kPa. La deformación adicional no aumenta el módulo.

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

Aplicaciones: La respuesta de pandeo de esta celosía Cúbica Simple produce un umbral de fuerza que la hace una buena candidata para aplicaciones de protección personal y para proteger componentes sensibles. Este tipo de celosía también es efectiva para rellenar huecos entre componentes en ensamblajes.

Estructura de celosía 3D celda Kelvin

Esta celosía celda Kelvin tiene un tamaño de celda unitaria de 10 mm y un ancho de cercha de 2 mm. El módulo es 0.44 MPa.

Respuesta de pandeo: A diferencia de la celosía Cúbica Simple, la estructura de celosía celda Kelvin tiene un punto de pandeo bajo, lo que significa que sus vigas se estiran en respuesta a la fuerza. La celosía celda Kelvin no tiene meseta y se comprime continuamente con una rigidez elástica simple hasta que está completamente compactada.

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

Aplicaciones: La celosía celda Kelvin es una buena candidata para reemplazo de espuma en productos bajo compresión estática como cojines de asiento o protectores corporales. Con sus celdas hexagonales intrincadas, la celosía celda Kelvin es visualmente impactante, lo que la hace una opción para aplicaciones estéticas y de moda.

Estructura de celosía 3D centrada en el cuerpo (Body-Centered)

Esta celosía Centrada en el Cuerpo tiene tamaño de celda unitaria de 10 mm y ancho de cercha de 2 mm. El módulo es 0.07 MPa.

Respuesta de pandeo: La estructura de celosía Centrada en el Cuerpo tiene una respuesta de estiramiento, lo que significa que responde con fuerza creciente por unidad de desplazamiento hasta compactarse completamente. Su módulo es mucho menor comparado con la celosía Cúbica Simple, y no tiene esfuerzo de meseta.

Disipación de energía: Como la unidad Kelvin, la celosía Centrada en el Cuerpo almacena energía con su deformación elástica y vuelve a su forma original muy parecido a un resorte cuando se elimina la fuerza.

Aplicaciones: Con su respuesta elástica de alta deformación, la celosía Centrada en el Cuerpo es una buena candidata para reemplazo de espuma en productos bajo compresión estática. Los puntales angulares que apuntan hacia el centro de la celda hacen su respuesta uniforme y consistente.

Estructura de celosía 3D Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC)

La celosía Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC) combina la celosía Centrada en el Cuerpo y Cúbica Simple en una sola estructura. Esta celosía tiene un tamaño de celda unitaria de 7.5 mm, y un ancho de cercha de 1 mm. El módulo es 0.23 MPa — que es más alto que las celosías Cúbica Simple y Centrada en el Cuerpo listadas arriba.

Respuesta de pandeo: Dado que la celosía BCC combina dos tipos de celosía 3D impresa, su respuesta es una combinación de ambas. Esta celosía pandea como la celosía Cúbica Simple con un esfuerzo de meseta (0.12 MPa) pero tiene un comportamiento post-pandeo más estable.

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

Aplicaciones: La celosía BCC es particularmente útil para aplicaciones que se benefician de una respuesta elástica y de pandeo a medida. También funciona bien cuando un producto requiere disipación de energía con una respuesta más estable que el pandeo puro visto en la celosía Cúbica Simple.

Haga posibles cosas nuevas con Fast Radius

Las cuatro estructuras destacadas arriba solo arañan la superficie de lo que es posible con un diseño de estructura de celosía 3D elastomérica. Para aprender más, explore nuestros casos de estudio y descubra cómo empresas como Rawlings y Steelcase crearon productos innovadores usando estructuras de celosía 3D impresas. Si está listo para comenzar su propio proyecto de impresión 3D, contáctenos hoy y haga su próximo proyecto posible.

¿Listo para fabricar sus piezas con Fast Radius?

Solicite su cotización