В природе решетчатые (сетчатые) и ячеистые структуры встречаются повсеместно – вспомните строение костей, пчелиных сот, морских губок или металлических кристаллов. Они получили широкое распространение в самых разных областях жизнедеятельности, где необходимо обеспечить жесткость и прочность при воздействии сжимающих, изгибных и ударных нагрузок, – от архитектуры до технических и медицинских изделий. Например, в теплообменниках или батареях такие конструкции служат оптимальной передаче энергии, а в авиационных компонентах – ответственной задаче снижения веса.
Аддитивные технологии открыли новые возможности для проектирования и изготовления сложных деталей, которые затруднительно или нереально получить с помощью традиционных производственных процессов. К таким объектам относятся и решетчатые структуры, которые проектируются в CAD‑программе и затем послойно печатаются на 3D‑принтере из разнообразных материалов.
Благодаря 3D‑печати они могут иметь практически любую геометрию, настраиваются в соответствии с различными требованиями и эффективнее поглощают ударную силу. Топологическая оптимизация и соответствующее программное обеспечение еще больше упростили создание подобных конструкций.
Вы читаете сокращенную версию статьи. Полностью материал доступен в нашем блоге
Зачем нужны решетчатые структуры и в чем их преимущества
Уменьшение расхода материалов
Использование решеток в конструкции может существенно сократить количество используемого материала за счет удаления большей его части в некритичных областях. Если вы применяете 3D‑печать порошками или смолами, то сэкономите значительные средства.
Снижение веса
Из меньшего расхода материалов вытекает еще одно преимущество – снижение веса. Во многих случаях конечная масса детали или узла в собранном виде жестко ограничена, и чаще всего легче – значит лучше. В зависимости от выбранного типа решетки масса изделия может быть уменьшена, и это дает множество плюсов – от экономии топлива в самолетах и автомобилях до более быстрого восстановления пациентов медицинских учреждений.
Поглощение энергии
Сетчатые структуры обладают многими свойствами, благоприятными для поглощения энергии. Варьируя плотность и даже тип ячеек на различных участках, можно добиться того, что конструкция будет эффективно поглощать энергию в различных направлениях. По сравнению со стандартными пеноматериалами, используемыми в широком спектре продуктов, сложные решетчатые структуры могут перенаправлять и лучше распределять энергию для поглощения ударной силы, используя при этом многообразные свойства современных фотополимеров для аддитивного производства.
Увеличенная площадь поверхности
Площадь поверхности решетки во много раз больше, чем у твердого компонента того же размера. Это может быть очень полезно для решения задач, связанных с теплообменом или химическим катализом, когда для выполнения той или иной функции требуется большая площадь поверхности.
Металлические решетки обеспечивают превосходную теплопередачу, а с помощью 3D‑принтеров можно быстро создавать исключительно сложные и миниатюрные конструкции теплообменников, систем охлаждения, катализаторов и других устройств. В литий‑ионных батареях решетки используются для терморегулирования. Сетчатые структуры включаются в каналы охлаждения для увеличения скорости движения жидкости, что улучшает эффект охлаждения. Наконец, такие конструкции используются в пресс‑формах для литья под давлением для деталей, требующих более быстрого охлаждения.
Улучшение проницаемости жидкости
Промежутки между решетками, или пористость, также могут варьироваться. Это полезно для конструкций, требующих систем фильтрации. Степень проницаемости важна для медицинских имплантатов: решетки позволяют питательным веществам проходить через структуру, что потенциально улучшает рост и срастание кости. Большое количество ячеек позволяет снизить скорость распространения жидкостей и газов, и таким образом более равномерно распределить давление по всему объему фильтра.
Эстетические качества
Помимо многочисленных технических преимуществ решеток, нельзя не заметить, что они обладают уникальной и привлекательной эстетикой. В дизайне потребительских товаров все чаще используют сетчатые элементы, часто только из‑за их внешнего вида.
Примеры внедрения: от кроссовок до имплантатов
Многие отрасли промышленности используют свойства решетчатых структур при разработке новых продуктов, и в последние годы мы видим все больше новых идей и сфер применения, в которых решетки являются ключевым элементом конструкции.
Автомобилестроение
Porsche в сотрудничестве с Nikon SLM Solutions напечатала компонент силового агрегата спорткара под названием E‑Drive – корпус, включающий электронику, трансмиссию и электродвигатель. В результате топологической оптимизации удалось уменьшить вес детали за счет применения решетчатых структур, реализовать функционально интегрированные каналы охлаждения, повысить коэффициент жесткости, уменьшить время сборки из‑за сокращения числа элементов. E‑Drive имеет габариты 590 x 560 x 367 мм и весит 15,5 кг.
Медицина
Сетчатые конструкции, применяемые при изготовлении имплантатов, эндопротезов и других медицинских приспособлений, помогают улучшить остеоинтеграцию. На фото: изделия, напечатанные на SLM‑принтерах HBD
С помощью 3D‑печати металлом ортопеды могут проектировать и изготавливать имплантаты со сложными решетчатыми структурами. Эти конструкции обладают отличным отношением прочности к весу, что позволяет создавать легкие, но прочные изделия. Напечатанные имплантаты способствуют врастанию кости, обеспечивая улучшенную стабильность и интеграцию с естественной костью пациента.
К примеру, при создании ацетабулярного колпачка (эндопротеза тазобедренного сустава) по SLM‑технологии удается реализовать мелкую пористую структуру для оптимального контакта между имплантатом и костью. Это обеспечивает долгосрочную стабильность имплантата за счет врастания кости. Селективное лазерное плавление позволяет контролировать разработку и изготовление сетчатых элементов необходимой формы, размера, ориентации и интервала. Такой точности изготовления невозможно достичь с помощью традиционного процесса плазменного напыления.
При проектировании основных внутренних вкладышей для протезов компания LifeNabled применила топологическую оптимизацию, разработав гибкие сетчатые структуры с индивидуальными свойствами. Такие изделия имитируют свойства традиционного пеноматериала, при этом устраняется необходимость в дорогостоящих и неудобных гелеподобных вкладышах, которые обычно используются.
Нефтегазовая отрасль
Немецкая компания PRÄWEST использовала технологию селективного лазерного плавления для изготовления завихрителя, позволившего существенно повысить эффективность впрыска топлива в стационарной газовой турбине. Одним из главных составляющих успеха была топологическая оптимизация геометрии завихрителя: создание внутренней решетчатой структуры и дополнительных каналов. Благодаря сетчатой конструкции удалось снизить массу компонента и вместе с тем сократить количество необходимых материалов и ресурсов.
Спортивные и потребительские товары
Adidas регулярно представляет инновационную обувь, в создании которой применяется 3D‑печать. Так, кроссовки для гольфистов MC87 4D имеют высокоэффективную подошву, обеспечивающую контролируемую и точную отдачу энергии. Это стало возможным благодаря решетчатой структуре подошвы, которая изготавливается из фотополимера. Подошва стала более прочной и гибкой, а решетчатая структура обеспечивает отзывчивую амортизацию, поглощает давление со всех сторон, возвращает энергию стопе, а также придает обуви уникальный футуристичный облик.
Читайте статью целиком в блоге 3D-экспертов. Также в материале: типы решетчатых структур, советы по проектированию, подходящее ПО для моделирования
Подписывайтесь на наш блог и обращайтесь к специалистам iQB Technologies