Пористые и решетчатые структуры, заполнение и материалы в 3D печати
Заполнение может быть выполнено в виде пористых или решетчатых структур для уменьшения веса и придания новых свойств напечатанных на 3D принтере деталей и изделий.
Пористые и решетчатые структуры в 3D печати, мощный инструмент для проектирования, который может сделать детали легче и прочнее, а так же готовое изделие будет эффективнее поглощать удары и иметь более широкий функционал. Понимание того, как использовать и создавать эти структуры, является важной частью разработки и промышленного дизайна.
В этой статье рассмотрим различные типы пористых и решетчатых структур, о том, как их использовать, как дизайнеры и инженеры по всему миру используют их для создания чрезвычайно эффективных и инновационных продуктов, от кроссовок Adidas и велосипедных седел Specialized до промышленных радиаторов и эндопротезов.
Статья об общем понимании, что такое заполнение в 3D печати.
| Программное обеспечение для создания решеток | Цена | Бесплатная пробная версия |
|---|---|---|
| Triangulatica | от 100 до 8000 евро | Попробуйте бесплатно полную пробную версию Triangulatiсa. Пробная версия позволит сделать 10 полных нарезок (растровых или векторных) за 90 дней. После того, как закончатся 10 бесплатных нарезок, Triangulatica перейдет в лимитированный режим, где из каждой нарезки будет сохранен только один случайный слой. Вы можете вернуться сюда позже, чтобы приобрести и активировать подписку. |
| nTopology | от $15 500/год | Пробная версия nTopology бесплатна для студентов, преподавателей и исследователей |
| Gen3D Sulis | 270 долларов в месяц | Бесплатная пробная версия для студентов и преподавателей |
| Autodesk Fusion 360 и Netfabb | Fusion 360 495 долларов в год; Бессрочная лицензия Fusion 360 и Netfabb 4635 долларов в год | Бесплатная 30-дневная пробная версия |
| Carbon Design Engine | стандарт $99/месяц, про $799/месяц, предприятие +$ | Бесплатная 30-дневная пробная версия |
| Siemens NX | индивидуальная цена | Бесплатная 30-дневная пробная версия для студентов и преподавателей |
| Materialize 3-Matic | индивидуальная цена | - |
| Altair Optistruct & Inspire | индивидуальная цена | - |
Зачем использовать решетчатые и пористые структуры? В чем их преимущества.
Решетчатое заполнение обладает некоторыми уникальными свойствами, чрезвычайно полезными при проектировании деталей, которые почти невозможно воспроизвести с помощью традиционных методов. Пористые и решетчатые структуры можно использовать при любой технологии 3D печати и практически с любыми материалами.
Использование решеток может значительно сократить количество используемого материала. Если ваша деталь печатается порошком или фотополимерной смолой, это может значительно сэкономить объем используемого материала.
Сокращение используемого материала, имеет еще одно преимущество – снижение веса. В зависимости от выбранного типа решетки снижение веса, может быть очень значительным и это дает большие преимущества, от например снижения расхода топлива в автомобилях до сокращения времени восстановления пациента в медицине.
Решетчатые структуры также, полезны для поглощения энергии в некоторых приложениях. Регулируя плотность и тип решеток заполнения, можно создать конструкцию, которая эффективно поглощает энергию в разных направлениях. Сложные типы решеток могут перенаправлять и лучше распределять энергию, чтобы поглощать силы удара, используя преимущества различных свойств современных материалов для аддитивного производства.
Площадь поверхности пористой структуры заполнения напечатанной на 3D принтере детали во много раз больше, чем аналога без заполнения. Это может быть чрезвычайно полезно для изделий, связанных с теплообменом или химическим катализом, которым необходима большая площадь.
Помимо технических преимуществ решеток, трудно игнорировать их уникальную эстетику. Все чаще дизайнеры предпочитают включать решетчатые элементы в дизайн потребительских товаров, только по причине внешнего вида.
Типы решетчатых и пористых структур
Все решетки основаны на элементарной ячейке. Это повторяющаяся единица, которая многократно копируется в нескольких направлениях, чтобы создать структуру в целом.
Решетки TPMS
Трехпериодические решетки минимальной поверхности ( TPMS) создаются, когда тригонометрическое уравнение используется для создания элементарной ячейки. Например, «гироидная» ячейка TPMS состоит из точек внутри ячейки, для которых выполняется следующее уравнение:
sin (x)cos (y) + sin (y)cos (z) + sin (z)cos (x)=0
Различные, но похожие уравнения, подобные этому, дают разные типы решеток TPMS.
Распорные решетки
Распорные решетки состоят из соединенных между собой ребер по различным схемам, определяемым элементарной ячейкой. Стойки могут быть соединены вершинами кубической ячейки, ребрами, гранями и различные комбинации этих точек соединения создают различные типы.
Планарные решетки
Плоские решетки являются простейшим типом решетки и создаются при выдавливании элементарной 2D-ячейки в 3D. Самый распространенный вид планарных решеток – это сотовая структура.
Каждый из этих типов решеток также можно превратить из периодической решетки в стохастическую, изменяя ее параметры случайным образом в разных направлениях. Это может иметь преимущества в некоторых приложениях, придавая структуре одинаковые свойства во всех направлениях (что делает ее изотропной).
Реальные применения решетчатых и пористых структур в 3D печати
Многие различные отрасли промышленности используют свойства решетчатых структур при разработке и в последние годы наблюдается приток новых продуктов, приложений и идей, использующих решетчатые структуры в качестве ключевой особенности. Вот некоторые из самых интересных и инновационных из них:
Автомобили
Итальянское бюро Puntozero по разработке продуктов в партнерстве с командой Formula SAE Dynamis PRC разработало эту необычную охлаждающий радиатор для высоковольтного преобразователя. Основанная на элементарных ячеек гироида, радиатор был на 25% легче и имел на 300% большую площадь поверхности, чем предыдущая конструкция. Данная конструкция спроектирована с помощью программного обеспечения nTopology.
Медицина
NanoHive Medical — американская компания, специализирующаяся на разработке уникальных спинальных имплантатов, используемых во время операций для лечения дегенеративных заболеваний позвоночника.
В этом случае решетчатая конструкция используется для уменьшения жесткости имплантата, что позволяет больше передавать нагрузку на сам позвоночник и следовательно, уменьшает атрофию кости вокруг титанового имплантата.
Теплообменники
Этот сложный теплообменник, разработанный General Electric для оптимизации потока двуокиси углерода с температурой 900°C, является прекрасным примером замечательных свойств, которые могут быть достигнуты, когда сложные решетчатые структуры сочетаются с 3D печатью металлами. Компания GE применила подход биомимикрии к своей конструкции, отражая свойства легких человека, чтобы способствовать эффективному теплообмену.
Ограничения решетчатых и пористых структур в 3D печати
Несмотря на то, что это мощная и малоиспользуемая функция, решетчатые структуры имеют некоторые ограничения, которые необходимо учитывать инженерам и дизайнерам, которые серьезно относятся к их использованию в реальных продуктах.
Производство
Хотя традиционные методы изготовления сложных неплоских решетчатых структур существуют, в целом они менее эффективны, чем аддитивные методы. Таким образом, при включении решетки в конструкцию следует тщательно учитывать экономику, временные рамки и выбор материалов, характерные для аддитивного производства.
3D моделирование
3D моделирование пористых и решетчатых структур, особенно с использованием подхода конечных элементов, может потребовать больших вычислительных ресурсов, особенно когда речь идет о больших моделях. Большинство подходов (включая те, которые используются в нескольких упомянутых выше программных пакетах) включают экстраполяцию свойств элементарной ячейки на всю структуру, но если типы и размеры ячеек значительно различаются, то физические испытания могут быть единственным способом точной оценки выполнение очень больших и сложных решетчатых конструкций.
Размеры файлов
Когда 3D модели деталей с объемными решетчатыми структурами преобразуются в STL (который по-прежнему является наиболее распространенным типом файлов, используемым в 3D печати) размеры файлов могут превышают 500 МБ или даже 1 ГБ. Это часто будет означать, что дальнейшая обработка и подготовка к 3D печати (слайсинг) могут быть очень медленными и сложными по вычислениям для компьютера. Уменьшить размер сетки, конечно, можно, но это может настолько упростить элементы, что некоторые треугольные элементы будут видны на поверхности 3D модели, если не увеличить толщину стенки.
Ограниченные типы ячеек
Тип элементарной ячейки является одной из наиболее важных особенностей решетчатой структуры и отвечает за большинство различных свойств, которыми будет обладать структура в целом, но существует ограниченный выбор вариантов, легко доступных большинству инженеров и проектировщиков. Некоторые программные пакеты позволяют проектировать и создавать новые типы, но даже при наличии доступа к этим программам это является узкоспециализированной задачей.
Лучшее программное обеспечение для создания пористых и решетчатых структур и материалов
В отличие от обычных слайсеров, обычно применяемых для FDM-печати, эти программы могут использоваться для создания решетчатых структур 3D моделированием и обычно не используются для непосредственного создания G-кода.
Среди опций указанного ниже программного обеспечения есть широкий спектр функций, поэтому обязательно протестируйте из перед покупкой.
Triangulatica
Triangulatica — мощный слайсер (программное обеспечение для аддитивного производства) на базе GPU-вычислений и аппаратная платформа (PCBA) для всех технологий аддитивного производства (существующих и перспективных): SLA, SLS, SLM, FDM/FFF, DMD/LMD/DMT, MJM, SLA DLP/LCD, SLM, DLMS и т.д.
Triangulatica предназначена для получения максимальных результатов от любой системы 3D-печати — от домашнего до промышленного уровня. Кроме того, Triangulatica предоставляет уникальные возможности для разработки новых 3D-принтеров на основе любого метода аддитивного производства.
В мире все больше и больше появляется разработчиков систем 3D печати. Каждая разработка включает пользовательское программное обеспечение, которое реализует сложные алгоритмы расчета стратегий нарезки и печати, программное обеспечение для управления процессом печати и сервисное программное обеспечение.
Разработка этого типа софта занимает около 1,5-2 лет и может достигать 50% от общей стоимости продукта.
Triangulatica предназначена для сокращения времени разработки и экономии ресурсов компаний, которые создают новые системы 3D-печати на основе различных технологий.
Есть очень интересная функция для создания метаструктур (решеток, сеток и минимальных поверхностей) на лету во время нарезки. Для расширения возможностей есть параметрические алгоритмы для создания 3D-заполнений: 3 и 4-ниточными регулярными решетками, 4 ниточными нерегулярными решетками, ячейкой Кельвина, минимальной поверхностью гироида и минимальными поверхностями Шварца типа P (Примитив) и D (Алмаз).
Просто укажите параметры 3D заливки одной из 3D структур в настройках прохода стратегии материала и вы быстро получите срезы практически с любым размером ячейки структуры.
Попробуйте бесплатно полную пробную версию Triangulatiсa. Пробная версия позволит сделать 10 полных нарезок (растровых или векторных) за 90 дней. После того, как закончатся 10 бесплатных нарезок, Triangulatica перейдет в лимитированный режим, где из каждой нарезки будет сохранен только один случайный слой. Вы можете вернуться сюда позже, чтобы приобрести и активировать подписку. Если вы готовы купить Triangulatiсa сейчас, вы можете сделать это здесь. Если у вас есть какие-либо вопросы, пожалуйста, свяжитесь с нами. https://triangulatica.com/ru/contact-ru/
Ключевые функции слайсера Triangulatica
- Векторная и растровая нарезка в одном приложении;
- Уникальный метод подготовки печатных столов;
- Большое количество и гибкость форматов экспорта;
- Математика на основе графического процессора (GPU);
- Автоматическая и ручная генерация поддержек и рафтов различного типа;
- Различные типы параметрического заполнения срезов (штриховка);
- Настройка интерфейса;
- Интернет-база профилей принтеров и материалов;
- Отличная гибкость в настройке стратегий нарезки;
- Удобное лицензирование и доступные цены.
nTopology
Используя неявное моделирование вместо твердотельного, nTopology создала чрезвычайно быстрый и мощный инструмент, который можно использовать для проектирования деталей, которые были бы невозможны при использовании традиционных САПР. Функции создания решетки, чрезвычайно эффективны и обеспечивают почти полный контроль над каждым аспектом структуры решетки, включая возможность определения собственной элементарной ячейки.
nTopology поставляется со многими другими функциями, включая расширенные возможности 3D моделирования и генеративного проектирования, но решетка является основной частью возможностей nTop.
Gen3D Sulis
Gen 3D — компания, основанная в 2018 году учеными из Университета Бата, Великобритания. Их программный пакет Sulis предлагает множество мощных инструментов решетки, которые можно приобрести как независимый модуль. Sulis Lattice предлагает отличное соотношение цены и качества и является отличной отправной точкой для пользователей, желающих поэкспериментировать с инструментами для решетки.
Sulis регулярно пополняется новыми функциями, и команда Gen3D очень отзывчива и рада помочь вам начать работу. Некоторые из более продвинутых функций довольно сложны в использовании и требуют дополнительной работы, но эти ошибки, вероятно, будут устранены с течением времени.
Autodesk Fusion 360 и Netfabb
Если вы уже являетесь пользователем Autodesk (Fusion 360, Netfabb), вам доступны новые параметры структуры решетки. Раньше Autodesk сохраняла генерацию решеток только в своем программном обеспечении Netfabb, но просто добавила его упрощенную версию в Fusion 360 в январе 2022 года.
Новое поколение объемных решеток в Fusion 360 является дополнительным расширением, поэтому его необходимо приобрести (или попробовать бесплатно в течение 7 дней). В настоящее время возможности довольно просты, но позволяют вам видеть эффекты вашей решетки в режиме реального времени. В сочетании со всеми другими функциями, которые включены в превосходный автономный пакет САПР, предлагаемое здесь соотношение цены и качества весьма примечательно. Autodesk также очень быстро разрабатывает и выпускает новые функции, поэтому эта функциональность, вероятно, будет быстро расширяться.
Если вы являетесь пользователем Autodesk Netfabb, возможно, вы уже знакомы с его надежной возможностью создания решеток. Как это обычно бывает со старым программным обеспечением, упомянутым здесь, графический пользовательский интерфейс снова довольно неуклюж, но Netfabb, тем не менее, является мощной программой, которая может создавать очень сложные конструкции решетки. Он также имеет очень удобную функцию перфорации для создания отверстий в вашей детали, что позволяет легко удалить неиспользованный порошок или смолу. Опять же, цена высока, и есть более выгодные предложения, если вашей основной целью является решетка.
Carbon Design Engine
Carbon 3D Оборудование, материалы и программное обеспечение решеток компании пользуются таким спросом, что они решили сделать свой решетчатый «движок» доступным за пределами своей экосистемы, чтобы вы могли использовать его практически с любым принтером.
Это облачное программное обеспечение для проектирования решеток создает надежные конформные решетки в различных типах ячеек, но тип действительно полезных функций проектирования доступен только в более дорогой версии «Pro», которая вводит переходы и градиенты между типами решеток.
Siemens NX
В Siemens NX от февраля 2022 г. решетчатые структуры в NX теперь можно оптимизировать с помощью 3D моделирования Siemens Simcenter для получения оптимальной решетчатой структуры в единственной среде. Это устраняет необходимость в нескольких этапах анализа конструкции, которые обычно требуются.
NX — это огромная и сложная часть инженерного программного обеспечения, и вы бы не купили его только из-за возможностей решетки, но приятно видеть, что Siemens расширяет возможности решетки приложения.
Materialize 3-Matic
Materialize занимает сильную позицию на рынке со своим вездесущим программным пакетом Magics для подготовки аддитивных сборок, а 3-matic, используемый для аддитивного проектирования и оптимизации данных, существует с 2004 года. возможность решетки сложна в использовании, отчасти из-за очень устаревшего графического интерфейса. Если создание решетчатых структур является основной необходимой функцией, существуют лучшие и более дешевые варианты.
Altair Optistruct & Inspire
Хотя Optistruct в первую очередь является структурным решателем FEA, инженерным анализом и инструментом оптимизации, он заслуживает упоминания из-за его способности создавать ряд различных типов решеток с использованием набора функций оптимизации конструкции. Подход Altair к решетчатым структурам необычен тем, что он неразрывно связан с процессами оптимизации топологии. Возможность точного моделирования решеток после того, как они были спроектированы, чрезвычайно полезна, но этот пакет, вероятно, стоит рассматривать только в том случае, если решатель Optistruct требуется и для других целей.
Еще одна часть программного обеспечения от Altair под названием Inspire представила в 2020 году создание решеток с элементарными ячейками. Altair Inspire включает в себя возможность создавать легкие решетчатые структуры с элементарными ячейками для 3D-печати, которые можно легко редактировать, мгновенно оценивая структурные характеристики различных вариантов конструкции..
