3D 격자 구조:설계 요소 및 기계적 반응

격자 구조는 연결될 때 3차원 모양을 형성하는 반복 패턴입니다. 적층 제조 맥락에서 규정 준수 격자 구조는 디자이너가 3D 프린팅 기술을 활용하여 이전에는 '만들 수 없는' 모양과 부품을 만들 때 흥미로운 제품 디자인 가능성을 열어줍니다. 엘라스토머로 만들 때 3D 인쇄된 격자 구조는 변형 가능성이 높고 기계적 특성으로 인해 광범위한 응답에 대해 조정될 수 있으며 다양한 산업 분야에서 사용됩니다.

그러나 규정을 준수하는 3D 격자 구조를 설계하려면 올바른 소프트웨어 도구는 말할 것도 없고 제조 전문 지식이 필요합니다. Fast Radius에서 우리는 다양한 제품 및 응용 분야를 위한 3D 인쇄 격자 구조를 설계하고 테스트했습니다. 우리는 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 다양한 격자 구조와 기계적 특성을 분류하는 대규모 데이터 라이브러리를 생성했습니다.

제조 프로젝트에 적합한 유형의 3D 격자 구조를 찾고 있다면 다양한 설계 요소가 완성 부품의 기계적 반응에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 것이 중요합니다. 이를 염두에 두고 프로젝트의 적층 제조 잠재력을 탐색하는 데 도움이 되도록 주요 3D 격자 디자인 요소에 대한 짧은 가이드와 함께 라이브러리에서 선택한 4가지 호환 격자 구조의 예를 마련했습니다.

엘라스토머 3D 격자 구조의 주요 설계 요소

엘라스토머 3D 격자 구조 프로젝트는 일반적으로 다음 네 가지 설계 요소 중 일부 또는 전체를 고려합니다.

• 기하학: 격자의 기하학은 구성 요소의 물리적 크기와 모양, 그리고 패턴이 부품 구조 전체에 어떻게 배열되어 있는지를 나타냅니다. 반복되는 경우, 격자 구조 내의 단일 단위는 집합적으로 단위 셀로 알려져 있으며, 이는 격자 구조가 자연에서 볼 수 있는 세포 및 결정 구조에서 영감을 받는 방식을 나타냅니다.
• 강성/탄성률: 격자의 강성 또는 계수는 구조를 변형하는 데 필요한 힘을 나타냅니다. 계수는 일반적으로 격자 응답이 완전히 탄성일 때 작은 변형에 대해 정의됩니다.
• 좌굴 응답: 좌굴 응답은 격자 구조가 생성되는 방식을 설명하며 변형 시 격자 요소의 구조적 불안정성에 따라 달라집니다. 모든 격자 구조가 좌굴을 나타내는 것은 아니며 좌굴이 항상 바람직한 특징은 아닙니다.
• 에너지 분산: 격자 구조의 에너지 소산은 변형되는 동안 에너지를 흡수하는 능력을 나타냅니다.

3D 인쇄 격자 구조의 예

단순한 입방체 3D 격자 구조

이 단순 입방 격자는 7.5mm의 단위 셀 크기와 2mm의 트러스 너비를 가지고 있습니다. 계수는 0.72MPa입니다.

좌굴 응답: 단순 입방 격자의 이러한 구조는 좌굴 불안정성을 나타냅니다. 약 0.05의 변형 후 계수는 25kPa의 응력 안정기에서 일정합니다. 추가 변형은 계수를 증가시키지 않습니다.

에너지 분산: 단순 입방 격자는 로드 및 언로드 시 다른 응답을 생성하는 비탄성 좌굴 동작을 가지고 있습니다. 비탄성 거동은 에너지 소산을 포함하여 다양한 목적으로 사용될 수 있습니다.

응용 프로그램: 이 단순 입방 격자의 좌굴 응답은 힘 임계값을 생성하여 개인 보호 응용 프로그램 및 민감한 구성 요소 차폐에 적합합니다. 이 격자 유형은 어셈블리의 구성 요소 사이의 간격을 채우는 데에도 효과적입니다.

켈빈 셀 3D 격자 구조

이 켈빈 셀 격자는 단위 셀 크기가 10mm이고 트러스 너비가 2mm입니다. 계수는 0.44MPa입니다.

좌굴 응답: 단순 입방 격자와 달리 켈빈 셀 격자 구조는 좌굴점이 낮아 힘에 따라 빔이 늘어납니다. 켈빈 셀 격자는 고원이 없으며 완전히 압축될 때까지 단순한 탄성 강성으로 계속 압축됩니다.

에너지 분산: 켈빈 셀 격자는 탄성 변형으로 에너지를 저장하고 힘이 제거되면 스프링처럼 빠르게 원래 모양으로 돌아갑니다.

응용 프로그램: 켈빈 셀 격자는 시트 쿠션이나 바디 패드와 같이 정적 압축을 받는 제품의 폼 교체에 적합한 후보입니다. 복잡한 육각형 셀이 있는 켈빈 셀 격자는 시각적으로 매우 인상적이어서 미적 및 패션 응용 분야에 대한 옵션이 됩니다.

신체 중심의 3D 격자 구조

이 몸체 중심 격자는 단위 셀 크기가 10mm이고 트러스 너비가 2mm입니다. 계수는 0.07 MPa입니다.

좌굴 응답: Body-Centered 격자 구조는 신축 응답을 가지며, 이는 완전히 압축될 때까지 단위 변위당 증가하는 힘으로 응답함을 의미합니다. 모듈러스는 Simple Cubic lattice에 비해 훨씬 낮고 고원 응력이 없습니다.

에너지 분산: Kelvin 단위와 마찬가지로 Body-Centered 격자는 탄성 변형으로 에너지를 저장하고 힘이 제거되면 스프링처럼 원래 모양으로 돌아갑니다.

응용 프로그램: 높은 변형률의 탄성 응답을 제공하는 Body-Centered 격자는 정적 압축 상태의 제품에서 폼을 대체할 수 있는 좋은 후보입니다. 셀의 중심을 가리키는 각진 스트럿은 응답을 균일하고 일관되게 만듭니다.

BCC(Body-Centered Cubic) 3D 격자 구조

BCC(Body-Centered Cubic) 격자는 Body-Centered 격자와 Simple Cubic 격자를 단일 구조로 결합합니다. 이 격자의 단위 셀 크기는 7.5mm이고 트러스 너비는 1mm입니다. 모듈러스는 0.23MPa로 위에 나열된 단순 입방체 및 몸체 중심 입방체보다 높습니다.

좌굴 응답: BCC 격자는 두 가지 유형의 3D 인쇄 격자를 결합하기 때문에 반응은 두 가지의 결합입니다. 이 격자는 평탄한 응력(0.12MPa)을 갖는 단순 입방 격자처럼 좌굴되지만 좌굴 후 거동이 더 안정적입니다.

에너지 분산: BCC 격자는 탄성 및 좌굴 응답을 모두 결합하기 때문에 특정 응용 분야에 사용하도록 에너지 저장 및 소산을 조정할 수 있습니다.

응용 프로그램: BCC 격자는 맞춤형 탄성 및 좌굴 응답의 이점을 얻는 응용 분야에 특히 유용합니다. 또한 Simple Cubic 격자에서 보이는 순수한 좌굴보다 더 안정적인 응답으로 제품이 에너지 소산을 요구할 때 잘 작동합니다.

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위에 강조 표시된 4개의 구조는 탄성 중합체 3D 격자 구조 설계로 가능한 것의 표면을 긁을 뿐입니다. 자세히 알아보려면 사례 연구를 살펴보고 Rawlings 및 Steelcase와 같은 회사가 3D 인쇄된 격자 구조를 사용하여 혁신적인 신제품을 만든 방법을 알아보세요. 자신만의 3D 프린팅 프로젝트를 시작할 준비가 되었다면 지금 연락하여 다음 프로젝트를 가능하게 하십시오.

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