Estructuras de celosía 3D:principios de diseño y comportamiento mecánico para la fabricación aditiva avanzada

Publicado el 3 de mayo de 2022

Publicado originalmente en fastradius.com el 3 de mayo de 2022

Las estructuras reticulares son estructuras periódicas que se ensamblan en intrincadas geometrías tridimensionales. En la fabricación aditiva, las celosías compatibles desbloquean una libertad de diseño sin precedentes, lo que permite a los ingenieros producir formas que antes eran inalcanzables.

Cuando se fabrican con elastómeros, estas celosías exhiben una notable deformabilidad. Al adaptar la arquitectura, los diseñadores pueden ajustar la rigidez, el comportamiento de pandeo y la absorción de energía para satisfacer las demandas de una amplia gama de industrias.

La creación de redes tridimensionales compatibles requiere tanto experiencia en fabricación como herramientas de diseño avanzadas. En SyBridge, hemos diseñado y validado una biblioteca integral de redes elastoméricas en numerosas categorías de productos, respaldada por extensos datos de simulación que correlacionan la estructura con el rendimiento mecánico.

Elegir la arquitectura reticular adecuada depende de comprender cómo cada variable de diseño influye en la respuesta mecánica de la pieza. La siguiente guía resume los elementos de diseño esenciales y presenta cuatro tipos de celosías representativos de nuestro catálogo.

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

Los proyectos de celosía de elastómero generalmente evalúan los siguientes elementos centrales:

• Geometría: La configuración espacial de puntales y nodos, incluido el tamaño, la forma y la topología general de la celda unitaria, gobierna directamente las rutas de carga y los modos de deformación.
• Rigidez / Módulo: Esta métrica, definida para deformaciones elásticas pequeñas, indica la fuerza necesaria para lograr una deformación determinada y es fundamental para aplicaciones de carga.
• Respuesta al pandeo: La propensión de los elementos de la red a pandearse bajo cargas de compresión determina si la estructura se comporta elásticamente, exhibe una meseta de tensión o colapsa progresivamente.
• Disipación de energía: La capacidad de absorber y disipar energía mecánica durante los ciclos de carga y descarga hace que ciertas celosías sean ideales para mitigar impactos o aislar vibraciones.

Tipos de ejemplo de estructura de celosía impresa en 3D

Celosía cúbica simple

Esta celosía presenta una celda unitaria de 7,5 mm y un ancho de armadura de 2 mm, lo que produce un módulo de 0,72 MPa.

Respuesta al pandeo: Exhibe una clara inestabilidad al pandeo; después de una deformación de ~0,05, la tensión se estabiliza a 25 kPa y una mayor deformación no aumenta el módulo.

Disipación de energía: El comportamiento de pandeo inelástico produce un bucle de histéresis, lo que lo hace adecuado para aplicaciones que requieren absorción de impactos.

Aplicaciones: Ideal para equipos de protección personal y como capa de sacrificio que protege componentes sensibles, esta celosía también puede llenar espacios entre componentes en ensamblajes.

Enrejado de células Kelvin

Tamaño de celda unitaria de 10 mm, ancho de armadura de 2 mm, módulo de 0,44 MPa.

Respuesta al pandeo: Carece de una meseta distinta; las vigas se alargan elásticamente hasta su total compactación, proporcionando una curva de compresión suave.

Disipación de energía: Almacena energía de forma elástica y vuelve rápidamente a su forma original, comportándose como un resorte elástico.

Aplicaciones: Adecuado como sustituto de la espuma en productos de compresión estática, como cojines de asiento y protectores para el cuerpo, y su geometría hexagonal ofrece un atractivo estético para diseños centrados en la moda.

Enrejado centrado en el cuerpo

Tamaño de celda unitaria 10 mm, ancho de armadura 2 mm, módulo 0,07 MPa.

Respuesta al pandeo: Demuestra un comportamiento de estiramiento progresivo con fuerza creciente por desplazamiento hasta la compactación total; no se observa ninguna meseta de estrés.

Disipación de energía: Similar a la unidad Kelvin, se comporta como un resorte y vuelve a su forma después de la carga.

Aplicaciones: La respuesta elástica y de alta tensión lo hace ideal para el reemplazo de espuma de compresión estática, mientras que los puntales en ángulo brindan un rendimiento mecánico uniforme.

Enrejado cúbico centrado en el cuerpo (BCC)

Esta estructura híbrida combina topologías cúbicas simples y centradas en el cuerpo, con una celda unitaria de 7,5 mm y un ancho de armadura de 1 mm. El módulo resultante es 0,23 MPa, más alto que el de las redes cúbicas simples y centradas en el cuerpo por sí solas.

Respuesta al pandeo: La red BCC hereda el pandeo del componente cúbico simple, que muestra una meseta a 0,12 MPa, aunque su comportamiento posterior al pandeo es más estable.

Disipación de energía: Al combinar modos elásticos y de pandeo, la red BCC permite un ajuste preciso del almacenamiento y liberación de energía para casos de uso específicos.

Aplicaciones: Ideal para productos que requieren una combinación personalizada de resiliencia elástica y disipación de energía controlada, ofreciendo una respuesta más predecible que las celosías de pandeo puro.

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Las cuatro celosías resaltadas arriba solo arañan la superficie de lo que puede lograr el diseño de celosías 3D elastoméricas. Si está listo para embarcarse en un proyecto de impresión 3D, contáctenos hoy y haga posible su próximo proyecto.