3D 인쇄 격자 이해:속성, 성능 및 디자인 고려 사항

적층 제조(AM) 프로세스를 통해 엔지니어는 격자 구조의 기능을 활용하여 제품 성능을 향상시킬 수 있습니다. 격자는 노드와 빔 또는 스트럿의 네트워크로 구성된 2차원 또는 3차원 마이크로 아키텍처로, 무게를 크게 줄이고 구조적 무결성을 유지합니다.

수많은 격자 유형을 사용할 수 있습니다.

고유한 특성(변형 모드, 재료 효율성 등)과 미학을 가진 수많은 격자 유형을 사용할 수 있습니다. 이러한 격자 구조의 대부분은 자연적으로 발생하는 결정 구조에서 영감을 받았습니다. 그리고 본질적으로 작은 기능으로 인해 격자는 레거시 제조 방법으로 생성하기 어렵거나 거의 불가능합니다.

격자 구조의 통합으로 엔지니어는 원하는 부품 성능을 재고하여 설계 공간을 더 많이 탐색할 수 있습니다.

격자 기법을 통해 격자 매개변수를 부품의 물리적 하중에 맞게 정밀하게 조정하여 전체 부품 질량을 90% 이상 줄일 수 있습니다.

기계적 이점

격자의 이점은 시간이 지남에 따라 잘 알려져 있습니다. 충분히 가까이서 보면 자연의 격자(뼈, 금속 결정학 등)와 현대 건축물을 볼 수 있습니다. 에펠탑을 예로 들어 보겠습니다. 탑의 금속 구조는 하늘에 닿을 때 무게를 효율적으로 지지합니다. 단순한 격자와 유사하게 이 자체 지지 구조는 부피가 대부분이며 대부분 공기입니다. 격자로 가능한 높은 강도 대 중량 비율은 이 엄청난 건축적 성취를 가능하게 했습니다.

마찬가지로, 제품 설계에서 격자의 기계적 이점(예:높은 표면적, 우수한 충격 흡수, 충격 보호)은 제품 설계자가 기존 제조의 제약을 극복하여 새롭고 종종 더 높은 성능의 제품을 만들 수 있도록 합니다.

좋은 강도 대 중량 비율

일반적으로 주어진 부품의 중량 대비 강도 비율을 개선하는 두 가지 방법이 있습니다. 전통적인 제조 방식을 통해 중요하지 않은 영역에서 재료를 줄여 재료 사용을 최적화함으로써 달성됩니다. 격자를 통해 부품의 중요한 영역에서 재료를 제거할 수 있습니다. 격자가 부품의 전체 강도를 감소시키지만 중량을 줄이면 강도 대 중량 비율이 향상될 수 있습니다.

높은 표면적

격자는 가벼울 뿐만 아니라 많은 양의 표면적을 확보합니다. 이는 열 교환 및 화학 반응을 촉진하는 제품의 주요 이점입니다.

서버 및 데이터 센터의 컴퓨터에 사용되는 열교환기를 고려하십시오. 일반적으로 프로세서의 성능은 생성되는 열의 양에 의해 제한됩니다. 목표는 칩에서 열을 제거하고 일반적으로 팬의 도움을 받아 대기 중으로 내보내는 것입니다. 이 시스템의 전반적인 효율성은 방열판(칩에서 열을 제거하는 금속 조각)의 표면적과 관련이 있습니다. 격자는 사용 가능한 표면적의 양을 극적으로 증가시킬 수 있으며, 대안적으로 복잡한 툴링 절차를 피함으로써 해당 표면적의 양을 보다 저렴하게 생성할 수 있습니다. 실제로 이러한 효율성 향상은 적층 제조 없이는 표면적이 큰 작은 형상을 생성하기 어렵거나 거의 불가능한 다양한 유형의 열교환기 애플리케이션에서 실현될 수 있습니다.

뛰어난 충격 흡수 및 충격 보호

격자는 또한 충격 에너지를 더 잘 흡수하여 낙하 또는 충돌로부터 제품을 보호하는 데 도움이 될 수 있습니다. 격자는 충격 응력을 줄이기 위해 축구 헬멧과 같은 제품에 통합되거나 제품의 중요한 구성 요소를 보호하기 위한 희생 기능으로 사용될 수 있습니다. 예를 들어 격자를 전자 부품 주변이나 내부에 사용하여 매우 흔한 우발적 낙하와 같은 동적 이벤트로부터 보호할 수 있습니다.

원하는 진동 및 소음 감소

또한 적층 제조된 격자는 엔지니어에게 진동과 같은 기계적 소음을 제거할 수 있는 새로운 방법을 제공합니다. 이는 사용자에게 불편을 줄 수 있고 심지어 기계 성능을 저하시킬 수도 있습니다.

격자는 낮은 강성과 큰 변형을 견디고 회복하는 능력 때문에 진동을 줄이는 데 효과적입니다. 예를 들어, 격자는 제조 시스템으로 들어가는 에너지의 양을 줄이기 위해 중장비의 절연 패드에 통합될 수 있습니다. 격자의 조정 가능한 특성을 통해 엔지니어는 특정 응용 프로그램에 맞게 설계를 수정할 수 있습니다.

DFAM 원칙을 준수하여 격자의 잠재력 실현

적층 제조가 많은 신제품 기회를 열어줄 수 있는 것은 사실이지만, 기능적 격자를 인쇄하기 전에 인정해야 하는 설계 요소가 있습니다. 여기서 DFAM(Design for Additive Manufacturing)이 시작됩니다. DFAM은 설계 엔지니어가 인쇄된 부품이 설계 의도와 일치하도록 돕습니다.

몇 가지 중요한 DFAM 고려 사항에는 격자 셀 구조, 셀 크기 및 밀도, 재료 선택 및 셀 방향이 포함됩니다.

• 세포 구조
  격자에서 반복되는 단위인 셀 구조의 광대한 배열이 있습니다. 세포 구조의 목록은 매우 길고 계속 증가하고 있습니다. 가장 일반적인 셀 구조에는 몇 가지 예를 들면 입방체, 별 모양, 옥텟, 육각형, 다이아몬드 및 사면체가 포함됩니다. 셀 구조를 조정하고 혼합하여 시스템에 원하는 응답을 얻을 수도 있지만 선택한 항목에는 의미가 있습니다. 일부 구조는 더 효율적이고(높은 강성 대 중량 비율), 다른 구조는 에너지를 더 잘 감쇠하고, 일부는 미학적으로 좀 더 만족스럽습니다. 자신에게 맞는 선택을 하려면 강점과 장점을 서로 비교해야 합니다.
• 셀 크기 및 밀도
  셀 크기와 밀도는 개별 단위 셀의 크기와 공간 내에서 몇 개의 셀이 반복되는지를 나타냅니다. 셀 크기 자체는 구성원 및 연결 노드의 두께와 길이에 따라 다릅니다. 더 큰 셀은 인쇄하기 더 쉬울 수 있지만 더 단단하게 작용할 수도 있습니다. 마찬가지로 셀이 작을수록 더 균일한 시스템 응답이 가능하지만 기능 크기에 따라 제한됩니다.

• 재료 선택
  선택한 재료는 가능한 격자 속성을 정의할 수 있습니다. 엘라스토머 또는 연질 재료는 일반적으로 인쇄 중 처짐을 줄이기 위해 더 작고 밀도가 높은 셀 인구를 필요로 합니다. 또는 더 단단한 재료로 인쇄된 격자는 일반적으로 더 얇은 부재와 더 큰 셀 크기로 더 넓은 디자인 범위를 허용합니다.
• 셀 방향
  셀이 인쇄되는 각도는 필요한 지지대의 양과 배치에 영향을 미치기 때문에 인쇄 성공에 영향을 줄 수 있습니다. 일반적으로 잘 선택되고 지향되는 격자는 별도의 지지대가 필요하지 않은 자체 지지형입니다. 종종 구조물을 회전하여 지지대를 줄일 수 있습니다. 대형 입방 트러스를 생각해 보십시오. 제작 플랫폼에 직접 인쇄하면 수평 부재가 지지되지 않습니다. 그러나 구조가 45도만 회전하면 이제 멤버가 자립할 수 있습니다.

격자의 반복되는 단위 셀은 수많은 크기, 모양 및 성능 속성에 대한 문을 엽니다. 격자의 고유한 복잡한 특성으로 인해 적층 제조 이외의 다른 방법을 만드는 것은 거의 불가능합니다.

이전에 격자로 디자인한 적이 없다면 시작하는 데 도움을 줄 수 있는 전문가에게 문의하는 것이 좋습니다. Fast Radius에서 우리 팀은 격자가 있는 더 나은 성능의 제품 개발에서 주문형 생산 및 가상 창고 보관을 통한 공급망 효율성 향상에 이르기까지 첨가제의 총 가치 극대화를 전문으로 합니다. 첨가제의 잠재적 가치에 대해 자세히 알아보거나 AM 공정을 위한 제품 설계를 시작하려면 지금 저희에게 연락하세요.

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