Высоко ценимые за их уникальные механические, геометрические и физические свойства, конструкции с гироидными решетками делают ваши детали, напечатанные на 3D-принтере, легче, меньше по размеру и дешевле в изготовлении. Узнайте, как это делается!
#
3DMART студия - услуги 3D печати, изготовление запасных частей, заказ образцов, 3D моделирование, разработка корпусов РЭА, 3D формы для настенной плитки.
#
Природа уже давно является источником вдохновения для книг, стихов, музыки и искусства, но она также вдохновляет инженеров. Биомимикрия, или использование природы для вдохновения в дизайне, привела к появлению бесчисленных изделий - от липучек и лопастей ветряных турбин (плавники горбатого кита) до энергоэффективных конструкций зданий (термитники) и пропеллеров беспилотных летательных аппаратов (крылья совы).
Одной из природных структур, все чаще применяемой в 3D-печати для придания изделиям меньшего веса и прочности, является гироидная решетка. Когда-то почти невозможная в изготовлении, эта сложная форма не является проблемой для 3D-принтеров, открывая новый мир дизайна изделий.
Но теперь, когда их можно изготавливать с использованием нескольких технологий 3D-печати, гироидная форма - это новый и захватывающий шаблон заполнения с несколькими явными инженерными преимуществами. Вы найдете его в широком спектре изделий, напечатанных на 3D-принтере, от роликовых коньков, изображенных выше, до хирургических имплантатов, деталей для аэрокосмической промышленности и теплообменников.
Гироидные структуры представляют собой сложные трехмерные геометрические узоры, характеризующиеся сложной сетью повторяющихся поверхностей, которые минимизируют площадь поверхности, охватывая заданную границу. Технически они представляют собой трижды периодическую структуру минимальной поверхности (TPMS), в которую мы углубимся ниже.
Гироиды в природе
Развивая идею о том, что природа вдохновляет инженерное дело, физик Алан Шон, который недавно скончался в возрасте 98 лет, впервые математически представил концепцию структуры гироида в 1970-х годах. Только после того, как он представил концепцию, оказалось, что гироидная решетка была обнаружена в природе, в том числе у некоторых видов морских губок и морских животных, а также в минеральных кристаллах.
Классическим примером гироидов в природе является голубая бабочка Морфо.
Эти ярко-голубые бабочки приобретают свой цвет и переливчатость не из-за пигмента. На самом деле, они вообще не пигментированы. Мы видим бабочку голубой, потому что решетчатый узор ячеек крыльев заставляет свет отражаться, так что наш глаз воспринимает синий цвет. Цвет меняется в зависимости от угла, под которым вы смотрите на крылья, потому что решетка отражает свет немного по-разному в зависимости от угла. Какой тип решетки может это сделать? Гироид.
Что такое гироид?
Давайте разберем гироиды немного подробнее. Трижды периодическая минимальная поверхность означает, что вы можете создать узор из гироидов в трех направлениях. На изображении ниже отдельная ячейка gyroid unit (выделена серым цветом) может быть скопирована по осям x, y и z, чтобы построить решетку большего размера, подобную той, которая заполняет эту модель теплообменника.
Минимальные поверхности - это те, которые охватывают граничные точки, не создавая больше площади поверхности, чем это абсолютно необходимо. Хотя попытка осмыслить эту идею может привести к тому, что ваш пузырь лопнет, не волнуйтесь, потому что мыльные пленки отлично подходят для создания минимальных поверхностей. Представьте себе пленку мыла на кольце мыльной палочки.
Мыло касается границы (края палочки), не создавая какой-либо дополнительной поверхности, такой как бугорки или углубления. Мыльная пленка будет идеально ровной. То же самое происходит и с шаткими формами. Хотя это двумерная аналогия, вы получаете представление о сети соединенных поверхностей, где пленка образует непрерывную взаимосвязанную поверхность, охватывающую каркас палочки.
Зачем использовать гироидные решетки в деталях, напечатанных на 3D-принтере?
Природа великолепно оптимизирует дизайн с помощью естественного отбора и эволюции. Хотя Алан Шон “открыл” гироидную решетку, бабочки уже разобрались в ней.
Шон изучал эти структуры для применения в аэрокосмической промышленности. В дополнение к получению переливающегося синего цвета, спиральная решетка внутри крыльев Blue Morpho также обладает структурными преимуществами. Гироскопическая решетка позволяет крыльям быть достаточно жесткими, чтобы летать, не будучи тяжелыми и громоздкими.
Хотя, как мы уже упоминали, гироид был открыт десятилетия назад, способа ее изготовления не существовало. Теперь, благодаря аддитивному производству и программному обеспечению для автоматизированного проектирования (САПР) с поддержкой gyroid, гироиды стали более доступными, чем когда-либо прежде.
3D-печать и ее способность создавать гироидные решетки открывают множество возможностей для новых вариаций существующих материалов, снижения веса, биомеханики, теплопередачи и многого другого.
Легкий вес
Зная, что гироидная решетка в крыле бабочки помогает сохранить крыло жестким, но при этом легким по весу, исследователи из Института машиностроения и технологии материалов при Университете прикладных наук в Швейцарии решили посмотреть, как подобные структуры могут быть использованы в инженерном деле.
Они взяли гироидную решетку и объединили ее с пластиковыми ребрами, армированными углеродным волокном, наподобие ребер, которые можно увидеть на крыльях бабочки. Решетки были изготовлены с использованием стереолитографии (SLA) с использованием труб, в которые были вставлены ребра, усиленные углеродным волокном. В результате проведенных испытаний они смогли изготовить более жесткие решетки без увеличения плотности. Они также исследовали, как такие переменные, как толщина стержня и пористость гироида, влияют на полученный материал. Это лишь одно из многих исследований, посвященных гироидным решеткам для использования в малогабаритных приложениях.
Инженерия костей и тканей
Гироиды открывают новые возможности для создания каркасов из костей и тканей. В случае повреждения кости врачи устанавливают искусственные костные имплантаты с каркасными решетками, чтобы заменить поврежденный участок. Механические свойства этих каркасов важны, но так же важна и пористость. Со временем в каркас будет врастать новая ткань. Перед инженерами стоит задача разработать каркасы, обладающие достаточной пористостью, чтобы обеспечить рост тканей и перемещение жидкости без ущерба для механических свойств.
Сегодня в искусственных костных имплантатах, напечатанных на 3D-принтере, используются различные решетчатые структуры, имитирующие пористую природу натуральной кости. В идеале каждая решетка, с учетом ее собственных конструктивных особенностей и преимуществ, могла бы быть выбрана в соответствии с состоянием здоровья пациента, типом имплантата и желаемыми механическими и биологическими характеристиками.
Одно исследование показало, что каркасы гироидов обладают более высокой прочностью на сжатие, чем другие исследованные гироидов. Исследователи из Университета RMIT и Университета Дикина в Виктории, Австралия, изучили, насколько хорошо работают каркасы в форме гироида. В их исследовании PLA использовалась с помощью FDM для создания гироидов. Это исследование было сосредоточено только на тестировании материала и на том, будут ли гироиды с моделированием плавленого осаждения (FDM) хорошим выбором для каркасов костной ткани, и результаты являются многообещающими.
Цюрихский университет пошел еще дальше и проверил, насколько хорошо работают гироиды in vitro, в чашке Петри, и in vivo, на кроликах. В этом исследовании рассматривались три типа TPMS по сравнению с традиционной решеткой. Если вы решите ознакомиться с их исследовательской работой, вы увидите, что они называют форму гироида, которую мы обсуждали, ромбовидной формой, но здесь мы продолжим называть ее гироидом для последовательности. Из протестированных форм гироид обладала самой высокой жесткостью и прочностью на сжатие, при этом модуль упругости был сравним с костью. Форма гироида имела статистически значимое увеличение количества ткани внутри каркаса по сравнению с другими формами. В течение 4-недельного испытательного периода каркас gyroid обеспечивал больший рост кости и более высокий контакт кости с имплантатом, чем другие формы TPMS или традиционная решетка. В результате исследования был сделан вывод, что гиреоидные каркасы являются перспективными для применения в костной ткани благодаря балансу механических свойств, пористости и небольшому объему материала.
Теплообменники
Уникальная форма гироидной решетки, в дополнение к небольшому объему материала, делает ее идеальным кандидатом для теплообменников.
Вот тут-то и вступает в дело гироиды. Исследователи из Университета Глазго использовали компьютерное моделирование, чтобы посмотреть, как два типа структур TPMS сравниваются с более традиционными теплообменниками с печатной платой (PCHES). Одной из протестированных структур TPMS была gyroid, а другой - структура Schwarz-D. Оба типа структур TPMS показали лучшие результаты, чем исходный уровень PCHE. Это связано с тем, что обе конструкции TPMS имели большую площадь поверхности для теплопередачи за счет теплопроводности и, что более важно, обе создавали большую турбулентность в потоке газа через теплообменник, что приводило к большей теплопередаче за счет конвекции. В целом, как структуры gyroid, так и Schwarz-D превосходили базовую структуру на 15-100% в зависимости от условий потока.
Хотя это исследование было полностью проведено с помощью компьютерного моделирования, оно открывает возможности для дополнительных исследований, в ходе которых реальные теплообменники, изготовленные методом аддитивного производства, можно сравнить с их более традиционными аналогами.
Потребительские товары
Нет недостатка в потребительских товарах, которые не выиграли бы от меньшего веса и использования меньшего количества материала. Все, от спортивных товаров до кухонной утвари и игрушек, можно было бы изготовить с меньшими затратами материала, но при этом функционировать так же хорошо или даже лучше. Кроме того, гироидные решетки визуально привлекательны.
Поскольку применение гироидных решетчатых структур к потребительским товарам требует их 3D-печати, на рынке пока нет примеров. Но отличный пример того, что гироидные структуры, напечатанные на 3D-принтере, могут привнести в такой продукт, как роликовые коньки, продемонстрировала дизайнерская фирма Slicelab.
Вернувшись к катанию на коньках, один из основателей Slicelab вдохновился идеей создать что-то новое, адаптированное к тому типу катания, который он искал. Используя программное обеспечение nTop, они заменили стандартный корпус колеса из цельного пластика на gyroid lattice one, оптимизированный для уменьшения веса. В местах между колесами, где требовалось меньше конструкции, стратегическая система gyroid была прочно интегрирована в отверстия конструкции.
Детали были напечатаны в 3D на полноцветной струйной машине HP Jet Fusion 580, которая больше не выпускается, из нейлонового материала PA-12. Slicelab предлагает файлы формата 3MF для бесплатного скачивания онлайн, чтобы люди могли распечатать их самостоятельно и протестировать.
Программное обеспечение для проектирования гироидных решеток
Пусть вас не пугает сложность решеток. Сегодня существует несколько программных решений, позволяющих проектировать с использованием решеток практически без предварительных знаний. Одно из новых предложений от BASF под названием Ultrasim 3D Lattice Engine настолько просто, насколько это возможно. Загрузите файл STL вашей детали, выберите решетку из библиотеки и поиграйте с некоторыми настройками, чтобы получить нужные свойства, затем экспортируйте.
Однако, если вы хотите усовершенствовать дизайн своей решетки, появляется все больше программных пакетов САПР, облегчающих моделирование гироидных решеток. Например, в Siemens NX теперь есть модуль неявного моделирования, ориентированный на инженеров в области аддитивного производства. Быстро следуя этому примеру, Autodesk Fusion 360 имеет инструмент объемной решетки в расширении Product Design. Однако лучшим программным обеспечением для проектирования высокоорганических деталей для аддитивного производства является nTop, и это неудивительно, поскольку оно также является отличным выбором для работы с гироидными решетками.
Вы можете смоделировать гироид с нуля, но это довольно трудоемко. Если вы хотите создать гироидную решетку с нуля, существуют обучающие программы для процедурного моделирования, такие как Blender или Rhino. Процедурное моделирование позволяет вам вводить формулы при создании вашей модели, что особенно удобно для сложных геометрий, таких как gyroid. Кроме того, вы можете смоделировать их в непроцессуальном программном обеспечении, но получить точную форму сложнее.
Гироиды и вычислительное моделирование
Аддитивное производство делает возможными гироидные решетки. Однако аддитивное производство может дорого обойтись при создании прототипов, особенно если вы работаете с металлом. Вычислительное моделирование, или использование программного моделирования, является отличным инструментом для изучения возможностей использования гироидных решеток до того, как вы начнете строить. Фактически, исследование теплообменников в Университете Глазго было полностью проведено с использованием ANSYS CFX 15.0. Использование компьютерного программного обеспечения, подобного этому, позволяет вам усовершенствовать свой дизайн, прежде чем доставать чековую книжку для создания тестовой детали.
Размер файлов и нарезка
Формы гироидов очень органичны, и это может привести к огромным размерам файлов. Как правило, чем больше площадь поверхности, тем больше размер файла. Даже для более традиционных решетчатых структур размер файла может быть огромным. Если вы отправляете файл с отключенной решеткой gyroid для сборки, попробуйте сохранить его в формате STP или STEP, потому что эти форматы по своей сути являются файлами меньшего размера, чем файлы STL. Если у вас есть деталь только в формате STL, проверьте правильность единиц измерения. Если программа, открывающая файл STL, считывает деталь длиной 300 дюймов вместо 300 мм, размер файла будет намного больше. Хотя gyroids приведет к созданию больших файлов, эти советы помогут вам избежать ненужного увеличения размера файла.
Еще одна вещь, которую следует учитывать, - это нарезка файла. Нарезка файла с помощью гироидных решеток - немалый подвиг. Это занимает гораздо больше времени по сравнению с другими типами решеток и требует больших ресурсов для компьютера, выполняющего нарезку.
Программное обеспечение для создания решетчатых структур
Software to Generate Lattice Structures
- nTop
- Altair Sulis
- Autodesk Fusion 360 & Netfabb
- Siemens NX
- Materialize 3-Matic
- Altair Optistruct & Inspire
- PTC Creo
- Carbon Design Engine
- General Lattice
- Metafold 3D
- Ultrasim 3D Lattice Engine
Как печатать гироидные решетки
Аддитивное производство стало благом для тех представителей научных кругов и промышленности, которые хотят воспользоваться преимуществами гироидной решетки. Если вы хотите ознакомиться с ними, ознакомьтесь с некоторыми рекомендациями по внедрению гироидных решеток в свой дизайн.
Несмотря на то, что каждая технология 3D-печати использует послойный метод, различные технологии предъявляют разные требования к успешной сборке гироидов.
При изготовлении гироидных решеток возникают две основные проблемы: захваченный исходный материал и захваченные опорные конструкции.
Заполнение или Решетка
Для многих людей их первым опытом работы с 3D-печатью является моделирование методом наплавления (FDM) с использованием полимерной нити в качестве материала. Одним из больших преимуществ FDM является заполнение. При подготовке к печати вашей детали программное обеспечение для нарезки даст вам возможность применить заливку. Вместо создания цельной детали в середине детали будет установлена решетка для экономии веса, материала и времени сборки. Самое замечательное в наполнителе заключается в том, что программное обеспечение для нарезки делает решетки за вас, все, что вам нужно сделать, это выбрать такие параметры, как плотность или толщина стенок наполнителя.
Популярные программы для нарезки UltiMaker Cura и PrusaSlicer имеют опции заполнения gyroid. Это дает вам простой способ воспользоваться преимуществами структур гироидов в ваших частях тела.
Наполнитель специфичен для FDM и других технологий экструзионного типа. Ключевым фактором является то, что при сборке детали не окружены ничем, кроме воздуха. Для многих других типов аддитивных технологий детали изготавливаются в окружении сырья, поэтому попытка изготовить деталь с наполнителем означала бы, что она полна захваченной смолы или порошка. Из-за этого заполнение не так часто используется в других видах 3D-печати.
Для всех других технологий 3D—печати решетки — гироидные или иные - должны быть встроены в модель разработчиком детали. В оставшейся части этой статьи я буду ссылаться на решетки, встроенные в модель, в отличие от заполнения, которое применяется во время нарезки.
План эвакуации сырья
Первый шаг к проектированию детали с гироидной решеткой - убедиться, что у вас есть план спасения исходного материала. Вам нужно будет убедиться, что есть доступ, чтобы очистить решетку.
Для технологий на основе смолы, таких как SLA или цифровая обработка света (DLP), смола будет удалена из деталей после завершения сборки, поэтому в детали должны быть отверстия для слива. Многие промышленные принтеры на основе полимеров требуют проведения цикла отверждения после сборки, который фиксирует окончательные механические свойства детали. Если осталась какая-либо смола, она затвердеет в течение этого цикла, засоряя вашу решетку.
Некоторые технологии на основе порошков, такие как селективное лазерное спекание (SLS) или многоструйное плавление (MJF) для полимеров или электронно-лучевая плавка (EBM) для металлов, позволяют получать заготовки. Заготовки выходят из машины в виде больших блоков порошка, которые помогают поддерживать детали во время сборки. Для удаления этого порошка требуется сжатый воздух или комбинация сжатого воздуха и необработанного порошка. Эти типы технологий представляют собой сложную задачу при создании внутренних полостей, поскольку они требуют прямой видимости для того, чтобы сжатый воздух полностью очистил решетку. Хотя воздух будет завихряться внутри детали, этого будет недостаточно для полного удаления порошка. Для SLS или MJF это может означать, что в конечной детали внутри будет рассыпчатый порошок, который может быть выбит, если решетка увидит поток жидкости. Для деталей из EBM, которые обычно требуют цикла термообработки после сборки, любой оставшийся порошок затвердеет и закупорит решетку.
В других типах порошковой печати, таких как лазерное наплавление в порошковом слое (LPBF), также называемое селективным лазерным плавлением (SLM), порошок сыпучий, как песок. Захваченный порошок внутри решетки вызывает гораздо меньше беспокойства. Однако, в зависимости от сложности решетки, может потребоваться значительное встряхивание и перекатывание, чтобы убедиться, что весь порошок высыпался. В Protolabs у нас есть специальная машина для удаления порошка, которая делает все это за нас, и она гораздо лучше справляется с удалением порошка со сложной геометрией, чем мы могли бы сделать вручную.
Самоподдерживающиеся гироиды
Хотя опорные конструкции снаружи вашей решетки в порядке, любые опоры глубоко внутри решетки будет трудно, если не невозможно, удалить. В идеале вы хотите, чтобы ваша гироидная решетка была построена полностью без опор. На самом деле, гироиды часто выбираются потому, что они по своей сути не требуют поддержки, но это зависит от вашего приложения.
Если посмотреть на гироидную решетку под углом, то она представляет собой ряд спиралевидных трубок. Это означает, что вы можете использовать минимальный неподдерживаемый диаметр канала для технологии, в рамках которой вы создаете. Вот несколько общих рекомендаций о том, насколько большими могут быть диаметры “каналов” на вашей гироидной решетке, прежде чем требовать использования опорных конструкций. По мере того как вы будете превышать эти рекомендуемые диаметры, вы заметите, что обращенные вниз поверхности будут становиться все шероховатее и шероховатее, пока верхняя часть не перестанет врастать.
Спроектируйте гироиды таким образом, чтобы избежать опор
Для технологий, использующих такие поддержки, как SLA и LPBF, важно, как решетка останавливается и запускается. Когда решетка заканчивается низкоугольными выступами, для нее могут потребоваться опоры. Однако, если решетка заканчивается в точке, где стены по краям более вертикальны, для успешной сборки не потребуется никаких опор.
В идеале ваша решетка должна быть замурована для достижения наилучших результатов. Если решетка заканчивается стеной, шансы на ее успешное возведение намного выше. Для отдельно стоящих гироидных решеток опоры снаружи - не самое худшее, потому что к ним легко получить доступ и снять. Однако, если у вас есть решетка, которая заканчивается внутри детали, требующей опор, снять ее будет намного сложнее, а может быть, даже невозможно.
ПОСТAВЬ ЛAЙК И ПОДПИШИCЬ, ЕCЛИ ТEБЕ ИНТEPEСНА ТEМА 3D ПЕЧАТИ!
еще интересные статьи по теме:
3DMART студия услуги 3D печати и 3D моделирование
Скорость ретракта 3D–принтера - простое объяснение
Лучшие настройки / профиль Cura PETG
Prusa Research выпускает обновление 2.6 для многофункционального PrusaSlicer
Шов по оси Z (Cura): Как его скрыть
Сглаживание PLA: как сгладить 3D-отпечатки из популярного пластика
