Когато става въпрос за 3D принтиране, именно решетъчните структури са един от най-добрите методи за работа. Защо ли? Защото изграждането на такава конструкция прави частите по-леки, по-издръжливи, и по-лесни за персонализиране.
Но преди да включите 3D принтера си за да започнете да изработвате решетъчни структури, има една важна стъпка, която не бива да пропускате. Тази стъпка е проучването на това какво представляват тези структури, как работят, и как могат да улеснят и подобрят качеството на моделите, които изграждате.
В тази статия ще намерите отговори на всички тези въпроси и ще придобиете нужните умения за изработването на отлични решетъчни структури. Нека започваме!
I am text block. Click edit button to change this text. Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit. Ut elit tellus, luctus nec ullamcorper mattis, pulvinar dapibus leo.
Защо да използваме решетъчни структури?
Решетките имат някои специални свойства, които могат да бъдат изключително полезни при проектирането на част или продукт, които е почти невъзможно да се възпроизведат с конвенционалните техники за проектиране. Още повече, те могат да се използват с всякакъв вид 3D принтиране и почти всеки материал.
Ето някои от предимствата на решетъчните стуктури:
Използват по-малко материал
Уникалната форма на решетъчните конструкции позволява използването на значително по-малко материал по време на 3D принтиране. И както вероятно знаете, използването на по-малко материал означава и по-малко разходи.
Правят 3D моделите по-леки
В следствие на това, че решетъчните структури използват значително по-малко материал, те са и много по-леки. В зависимост от типа решетка, това олекотяване може да бъде от ключово значение.
Абсобират енергия
Промяната на плътността и типа на клетката в различни области може да доведе до дизайн, абсорбиращ ефективно енергията в различни посоки. Сложните решетъчни структури могат да пренасочват и разпределят енергията в множество посоки, за да абсорбират силите на удара, като същевременно се възползват от различните свойства на съвременните адитивни производствени смоли.
Абсобират енергия
Промяната на плътността и типа на клетката в различни области може да доведе до дизайн, абсорбиращ ефективно енергията в различни посоки. Сложните решетъчни структури могат да пренасочват и разпределят енергията в множество посоки, за да абсорбират силите на удара, като същевременно се възползват от различните свойства на съвременните адитивни производствени смоли.
Увеличават повърхностната площ
Площта на повърхността на решетката е многократно по-голяма от тази на твърд компонент със същия размер. Това може да бъде изключително полезно за приложения, включващи топлообмен или химическа катализа, които разчитат на големи повърхности, за да постигнат своята функция.
Правят 3D моделите по-красиви
Решетъчните структури имат множество практически предимства. Заедно с тях обаче не можем да не споменем и факта, че те правят моделите да изглеждат много по-естетически издържани. Външния вид на частите, резултат на работа с подобни конструкции, често е единствената причина продуктовите дизайнери да предпочитат именно този метод на изработка.
Кои са различните видове решетъчни структури?
Различните типове решетки се групират в категории въз основа на техните свойства. Всички решетки са базирани на единична клетка. Това е повтарящата се единица, която се копира многократно в множество посоки, за да се направи цялостна структура.
Нека разгледаме отличаващите се видове конструкции:
TPMS решетки – Решетки с тройна периодична минимална повърхност
Този вид решетки се създават, когато се използва тригонометрично уравнение за генериране на единична клетка. „Жироидната“ TPMS клетка, например, се състои от всички точки вътре в клетката, за които важи следното уравнение:
sin(x)cos(y) + sin(y)cos(z) + sin(z)cos(x)=0
Различни, но подобни уравнения като това произвеждат различните типове TPMS решетки.
Подпорни решетки
Подпорните решетки са съставени от взаимосвързани греди, съединени в различни шаблони, определени спрямо единичната клетка. Подпорите могат да бъдат съединени от върховете на кубичната клетка, ръбовете и лицата, като различни комбинации от тези точки на свързване произвеждат различните типове.
Плоски решетки
Плоските решетки са най-простият тип решетка и се създават, когато 2D единична клетка се екструдира в 3D. Най-често срещаният тип плоска решетка е структура от пчелна пита.
Всеки от тези видове решетки може също да бъде направен от периодична решетка в стохастична решетка, като се променят произволно нейните параметри в различни посоки. Това може да има предимства в някои приложения, като придава на структурата сходни свойства във всяка посока (правейки я изотропна).
Често срещани приложения на решетъчните структири в 3D принтирането
През последните години се наблюдава приток на нови продукти, приложения и идеи, използващи решетъчни структури. Тази тенденция е вероятно в резултат на това, че този метод предразполага както за оптимизацията на процеса на работа, така и за вземането на по-иновативни решения.
Ето и някои от най-интересните приложения на решетъчните структури:
Автомобили
Италианската агенция за разработка на продукти Puntozero си партнира с екипа на Formula SAE Dynamis PRC, за да проектира уникална студена плоча за техния високоволтов преобразувател. Въз основа на изкривена версия на жиреоидната единична клетка, плочата е с 25% по-лека и има 300% по-голяма повърхност от предишния дизайн.
Медицина
NanoHive Medical е американска компания, специализирана в проектирането на иновативни гръбначни импланти, използвани по време на операция за лечение на дегенеративни състояния на гръбначния стълб. В този случай, решетъчният дизайн се използва за намаляване на твърдостта на импланта, позволявайки на силите да се предават повече в самия гръбначен стълб и следователно намалява костната атрофия около титаниевия имплант.
Спорт
Два различни подхода за използване на решетъчни структури в спортните съоръжения са футболната каска на Carbon 3D и Riddell и велосипедната каска на HEXR. И двата модела са проектирани да абсорбират удара и да защитават играча възможно най-ефективно. Разбира се, те имат и някои разлики.
Шлемът HEXR използва предимно плоска шестоъгълна решетъчна структура, произведена чрез SLS принтиране и направена от твърд Nylon 6 материал. Каската Carbon Riddell, от друга страна, използва силно амортизиращ DLP еластомер и сложна многозонова решетка, направена от повече от 140 000 отделни подпори.
Топлообмен
Топлообменният елемент, проектиран от GE за оптимизиране на потока от 900°C въглероден диоксид, е отличен пример за забележителните свойства, които могат да бъдат постигнати, когато сложните решетъчни структури се комбинират с производството на метални добавки. GE възприе биомимикриен подход към техния дизайн, отразявайки свойствата на човешките бели дробове, за да улесни ефективния топлообмен.
Ежедневни продукти
През 2021, Adidas Athletic Footwear, в сътрудничество с Carbon 3D, пусна на пазара обувки 4DFWD – най-новата от серия спортни обувки, направени с помощта на DLP технология. Обувките се отличават с решетъчна структура в междинната подметка, предназначена да оттласква бегачите напред, използвайки тяхната персонализирана FWD единична клетка.
Какви са недостатъците на решетъчните структури?
Като всеки друг метод на работа в 3D сферата, решетъчните структури имат своите ограничения. Ако сериозно сте се заели със задачата да ги имплементирате във вашите модели, е важно да знаете с какви трудности е възможно да се сблъскате.
Производство
Традиционните методи за производство на сложни непланарни решетъчни структури са по-малко ефективни от адитивните методи. Като такива, икономиката, сроковете и изборът на материали, присъщи за адитивното производство, трябва да бъдат внимателно обмислени, когато се включва решетка в дизайна, особено ако други области са проектирани с други техники като леене под налягане.
Симулация
Симулацията на напрежение може да направи компютърните изчисления изключително интензивни, особено когато обхваща големи решетъчни структури. Повечето подходи включват екстраполиране на свойствата на единичната клетка в цялата структура. Но ако типовете и размерите на клетките варират значително, тогава физическото тестване може да бъде единственият начин за прецизна оценка на изпълнение на много големи и сложни решетъчни конструкции.
Размери на файловете
Когато моделът, който изработвате, включва големи решетъчни конструкции, които се конвертират в STL файл, размерът им може да достигне между 500 мегабайта и 1 гигабайт. Такава големина на файла може да доведе забавяне на процеса на работа.
Разбира се, намаляването на размера не е невъзможно. Но имайте предвид, че това може да опрости дизайна толкова много, че някои триъгълни елементи да се виждат при крайния модел, ако не се направи внимателно.
Ограничени типове клетки
Типът на единичната клетка е една от най-важните характеристики на структурата на решетката. Той определя голяма част от различните свойства, които конструкцията притежава. За жалост, много инженери и дизайнери се сблъскват с ограничения, що се отнася до лесния достъп до разнообразието от опции.
Някои софтуерни пакети позволяват проектиране и създаване на нови типове, но дори и с достъп до тези програми, това е високоспециализирана и техническа задача.
Кой е най-добрият софтуер за проектирането на решетъчни структри?
Софтуерът за генериране на решетки и решетъчните функции в CAD софтуера, който може би вече използвате, са единственият начин за създаване на тези структури. За разлика от различните двигатели за нарязване, които обикновено се предлагат за FDM 3D принтиране, тези софтуерни програми могат да се използват за създаване на решетки за множество цели – не само като материален. Също така е важно да се отбележи, че, в повечето случаи, не се използват за директно генериране на G-код.
Нека разгледаме някои от най-вълнуващите опции:
nTopology nTop
Използвайки имплицитно моделиране вместо твърдо моделиране, nTopology са създали изключително бърз и мощен софтуерен пакет, който може да се използва за проектиране на части, които биха били невъзможни с помощта на традиционния CAD. Функциите на решетката, включени в nTop, са изключително мощни и предлагат почти пълен контрол върху всеки аспект на структурата на решетката, включително възможността да дефинирате своя собствена единична клетка.
nTop се предлага с множество функции, включително усъвършенствана симулация и опции за генериране на дизайн. Но въпреки това, решетъчната структура си остава основна част от възможностите на nTop.
Gen3D Sulis
Gen 3D е компания, основана през 2018 г. от учени от Университета в Бат, Великобритания. Техният софтуерен пакет Sulis предлага разнообразие от мощни решетъчни инструменти, които можете да закупите и като самостоятелен модул.
Решетъчната структура на Sulis предлага отлично съотношение цена-качество и е чудесна отправна точка за потребители, които искат да експериментират с подобни инструменти.
Autodesk Fusion 360 & Netfabb
Новото поколение обемни решетки във Fusion 360 е допълнително разширение на Netfabb софтуера на Autodesk. Все още възможностите са доста базисни, но ви позволяват да видите резултатите от вашата решетка в реално време.
Много скоро се очаква голяма част от ограниченията да изчезнат, тъй като Autodesk са изключително бързи в разработването и пускането на нови функции.
Carbon Design Engine
Решетките на хардуера, материалите и софтуера на Carbon са толкова търсени, че се преместиха, за да направят своя решетъчни „двигател“ достъпен извън тяхната екосистема, така че да можете да го използвате с почти всеки принтер.
Този софтуер за проектиране на решетки, намиращ се в облачното пространство, създава здрави конформни решетки в редица типове клетки. Но за да получите наистина максимално добри резултати, се налага да имате достъп до “Pro” врсията.
Siemens NX
От този февруари, решетъчните структури в NX вече могат да бъдат оптимизирани с помощта на Simcenter 3D симулация на Siemens. Тя извлича оптималната структура на решетка в една единствена среда, което елиминира множеството досадни стъпки за анализ на дизайна, които по принцип се изискват.
Materialize 3-Matic
Materialize заема силна пазарна позиция със своя вездесъщ софтуерен пакет Magics за подготовка на добавки. Въпреки че се използва много често от някои по-големи компании и доста богат на функции, възможността за решетъчни е трудна за използване, отчасти поради много остарелия си GUI. Ако генерирането на решетъчни структури е основната необходима характеристика, има по-добри и по-евтини опции.
Altair Optistruct & Inspire
Optistruct е добре познат като инструмент за инжинерен анализ и оптимизация. Но няма как да не споменем и способността му да произвежда гама от различни типове решетки, използвайки своя набор от функции за подобряване ефективността на дизайна.
Подходът на Altair към решетъчните структури е необичаен с това, че е неразривно свързан с процесите на оптимизация на топологията. Възможността за точно симулиране на решетките, след като са били проектирани, е изключително полезна.
Друг софтуер от Altair, наречен Inspire, включва способността за генериране на леки решетъчни структури с единични клетки за 3D принтиране. Те могат лесно да бъдат редактирани, оценявайки структурните характеристики на различни варианти на дизайн за секунди.
Решетъчните структури са един от най-добрите методи за работа при 3D принтирането. Те използват по-малко материал, намаляват разхода, по-леки са и допринасят за естетиката на моделите, които изграждате.
Разбира се, тези конструкции имат и своите недостатъци, но цялостно, те ви предоставят един чудесен подход за оптимизиране на вашите 3D принтирани модели.
