FDM 技术

FDM 又称熔融沉积成型,是迄今为止使用广泛的 3D 打印工艺之一

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增材制造的晶格类型——所有工程师都需要知道的术语

增材制造的晶格类型——所有工程师都需要知道的术语

2021-07-28 09:38

有哪些类型的增材制造晶格,为什么它们如此重要?AM 的优势之一是能够创建具有精细特征的高精度形状,许多设计师已经利用了这一点,并在其组件中添加了晶格或蜂窝结构。这些结构可以将零件的功能扩展到使用传统制造方法无法实现的范围。

在关于晶格的这一系列文章中,我们将了解何时使用晶格结构、如何成功设计它们以及与之相关的挑战。让我们首先解释 AM 工程师在提及晶格结构时使用的术语。

什么是使用增材制造技术的晶格结构?

在 Gen3D,我们将晶格结构定义为介观级设计元素,由3D空间中的重复晶胞元素组成。通过增材制造,晶格带来了许多优势。它们减少了物体的质量,这意味着使用更少的材料。细胞结构还可以为物体提供额外的强度。你可以在自然界中看到这个概念,比如软木、胆、蜂窝和小梁骨。

格子等轻巧而坚固的设计可降低生产成本、燃料使用和材料浪费。随着工程师转向更优化的结构并开始克服最初在生产中遇到的困难,它们还有许多其他好处。2021 年已经见证了许多专为增材制造设计的晶格结构的成功案例,尤其是在医疗领域,包括牙科、假肢和骨骼再生。

3种常见的晶格结构家族

晶格结构在所有行业中都非常重要,因为它们可用于塑造零件的物理特性。增材制造可分为三种类型的晶格。这些是晶格结构的不同子集,应根据您尝试实现的属性使用。

3 种最常见的晶格结构家族是:

  1. 表面晶格——由三角方程生成的晶格。修改方程可控制3D结构的形状、大小和密度。

  2. 支柱晶格- 由一系列棒状形式组成的结构,这些形式以不同的方向连接以形成晶格的不同晶胞。

  3. 基于平面的晶格– 在 2D 平面中创建为周期性图案的结构,然后在单个方向上挤压以创建 3D 结构

三个不同晶格族的示例。在左侧,我们有基于表面的晶格,特别是 TPMS 表面。在中心,我们有一个基于支柱的晶格,在右侧,我们看到一个平面或 2.5d 晶格。

1. 基于表面的晶格

基于表面的晶格的一个子集是三重周期性最小表面 (TPMS)。TPMS 结构是使用方程定义的。一个著名的例子是陀螺晶格结构,可以在上图中看到。陀螺仪结构使用以下等式定义:

sin(x)cos(y) + sin(y)cos(z) + sin(z)cos(x)=0

胎压监测系统结构

TPMS 结构有两种不同的形式,它们被称为基于片状和骨架的表面晶格。每个TPMS晶格都可以修改为具有这些形式,并且可以通过切换Gen3D 软件中的双皮肤复选框来创建它们

TPMS 晶格的片状和骨架版本可用于不同目的,这些可以包括用于骨架基晶格的生物支架,片基 TPMS 结构的高表面积与体积比使其成为热管理应用的理想选择。

Gen3D Lattice 软件中创建的两种类型的TPMS陀螺点阵。左侧晶格是骨架版本,右侧是 gyroid 结构的片状版本。

通过修改方程,可以创建不同的结构。多年来,研究人员和数学家已经基于这种格式推导出了许多不同的结构。许多这些结构已集成到Gen3D的晶格模块中。

在 Gen3D Lattice 软件中创建的不同 TPMS 陀螺结构的示例。这些可以通过操作三角函数来创建。

2. Strut-based 晶格

下一个晶格结构家族是基于支柱的晶格。这些结构由一系列以不同方向连接的棒状形式组成,以形成晶格的不同晶胞。这些结构的一些例子是在Gen3D Lattice 中创建的,如下图所示。

一系列基于支柱的晶格结构,妥协了不同的晶胞类型。

如您所见,杆的连接方式会对晶格结构的机械性能产生重大影响。传统上,基于支柱的晶格是最常见的晶格结构类型,但是,使用基于支柱的晶格正确设计可能具有挑战性。

周期性和随机晶格结构

杆的连接方式也为我们提供了基于支柱的晶格的另一个描述符。一些晶格在整个零件中具有相同的重复晶胞。这些被称为周期性晶格。另一种方法是在整个全局结构中随机连接单元格。这些被称为随机晶格结构。

随机晶格通常用于生物医学应用,因为它们可以设计为与人体骨骼的特性密切匹配,因此非常适合与体内的骨骼结构重新连接。

周期性与随机晶格结构。左侧晶格显示由相同重复晶胞组成的均匀周期性晶格结构。在右边,我们可以看到一个随机点阵,在支柱的方向和结构中内置了随机性。

3. 平面点阵

由3D空间中的重复晶胞元素组成的中观级设计元素的最后一类是平面晶格。这有时也可以称为2D 或2.5D晶格。

这些结构在2D平面中创建为周期性图案,然后沿单个方向拉伸以创建3D结构。下图中可以看到一个示例。

平面晶格结构的一个例子。

这些结构在设计使用最少的材料(Gen3D 制造设计的四个关键原则之一)时非常有用,因为它们可以用于任何存在散装材料的地方,以减少打印零件所需的质量和材料。

平面晶格是最简单的晶格结构类型,通常可以使用任何传 CAD软件作为 BREP 模型创建。我们的 Sulis Lattice 模块还可用于为更复杂的形状创建这些类型的结构。

所有的格子都是均匀的吗?

我们已经介绍了描述不同晶格族的基本术语。但是,这些仍然是您需要了解的几个更重要的术语。首先,我们需要通过零件来描述晶格是相同的还是变化的。为了描述这一点,我们引入了术语齐次和异质晶格。

均质晶格结构

均匀晶格结构在整个零件上具有均匀的晶格特性。然而,对于异质晶格,一种或多种晶格特性正在发生变化。我们可能决定更改的常见属性,包括密度、壁厚或晶胞大小。

同质和异质晶格结构的示例。

异质晶格结构

异构晶格很有用,因为我们可以在零件的特定区域定制晶格的属性。例如,晶格的密度可以由 FEA 分析驱动。在零件应力较高的区域,我们可以增加晶格的密度,从而增加该位置的强度。

共形晶格

我们将在本文中介绍的最后一个晶格描述符是共形晶格。晶格在设计空间中可以是统一的,也可以符合零件的形状。可以设置共形点阵以遵循零件的轮廓。这具有使晶格看起来更吸引人的优点,更重要的是,还可以减少作为零件边界的应力集中。

以下视频展示了如何使Gen3D软件将晶格整合到圆柱坐标系中。

修改坐标系可能是一项有趣的设计练习,因为结果通常与直觉相反。以下晶格都是通过使用金刚石 TPMS 表面晶格创建的,但改变了立方体部分内的圆柱坐标空间。

TPMS 结构是通过使用立方结构内的圆柱坐标系创建的。操纵坐标参考系可以创建具有有趣应用的有趣形状。在这种情况下是散热器。

源文摘自:Gen3D

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