Решетчатые структуры, как следует из названия, представляют собой конструкции, состоящие из плоскостей или перемычек, соединенных в различных конфигурациях. Их использование в 3D печати вдохновлено структурами, встречающимися в природе: кристаллическими решетками, строением растительных тканей, пчелиными сотами и другими примерами, которые послужили основой для разработки промышленных решеток. Такие структуры могут быть спроектированы с шестиугольными, восьмиугольными или иными повторяющимися узорами, а также иметь случайную (стохастическую) конфигурацию.

Если вы когда-либо создавали объект для 3D печати, вы, возможно, уже использовали решетчатые структуры в качестве заполнения (инфилла) внутренних полостей модели. Часто между внешними стенками (периметрами) детали остается пустое пространство, которое при печати без заполнения может вызвать проблемы. Решетки применяются для решения этой задачи, поскольку они облегчают процесс печати и значительно повышают прочность готовой детали. Однако это лишь одно из множества возможных применений решеток, к которым мы вернемся далее. Решетчатые структуры могут быть включены в дизайн практически любой 3D модели. Однако, если вы не специализируетесь на этом, вероятно, вы не используете их потенциал в полной мере.

Эффективное использование материала

Одна из самых распространенных причин для применения решетчатых структур в 3D печати – сокращение расхода материала без ущерба для механической прочности и других свойств изделия. Внедрение решеток в дизайн значительно уменьшает количество материала, необходимого для печати. Многие дизайнеры, особенно начинающие, ошибочно проектируют крупные элементы как сплошные монолиты. Гораздо эффективнее заполнять пространство, ограниченное внешними контурами, решетчатой структурой. Вместо цельного блока, расходующего материал, создается конструкция, которая максимизирует эффективность и требует материала лишь для формирования перемычек решетки. Это может существенно снизить итоговую стоимость печати, особенно при использовании дорогостоящих материалов. Даже при работе с более доступными материалами экономия может быть значительной при крупносерийном производстве. Даже если ваше изделие не предъявляет строгих механических требований, все равно стоит рассмотреть решетчатый инфилл как способ экономии материалов и снижения затрат.

Помимо экономии, сокращение отходов материала имеет и другие преимущества. Чем меньше материала используется, тем ниже экологический след продукта.

Снижение веса

Помимо снижения затрат, уменьшение количества материала в 3D печатной детали ведет к сокращению ее общего веса. Часто конечная масса компонента является одним из ключевых параметров проекта, что делает приоритетной задачу облегчения каждой детали. Рассмотрите, к примеру, средства индивидуальной защиты или биомедицинские имплантаты. В случае предметов, которые носят или переносят, крайне важно снизить вес, и минимизация массы готового продукта будет главным соображением. Другой пример – детали для автомобильной промышленности: любое снижение веса напрямую влияет на расход топлива.

Плотность и плавучесть

Помимо меньшего веса, объект с решетчатыми структурами обладает меньшей плотностью и большей плавучестью по сравнению со сплошным объектом тех же размеров. Это может быть критически важно в некоторых приложениях, например, когда изделие должно держаться на поверхности жидкости.

Поглощение энергии

Решетчатые структуры способны поглощать значительно больше энергии, чем сплошные массы или пустота. Изменяя конфигурацию и плотность решетки в различных областях, используя разные типы ячеек и варьируя их размер, можно настроить дизайн для эффективного поглощения энергии, поступающей с разных направлений. Эта энергия может быть перенаправлена и распределена по структуре, что позволяет изделию более эффективно противостоять ударным нагрузкам. В сочетании с современными материалами такой подход к проектированию позволяет создавать изделия с выдающейся ударопрочностью и механической прочностью.

Максимизация площади поверхности

В некоторых приложениях приоритетной задачей является максимальное увеличение площади поверхности изделия. Примерами могут служить химический катализ или теплообмен. Большая площадь поверхности может значительно улучшить производительность детали или узла в таких условиях. Благодаря множеству перемычек и стенок, решетчатые структуры имеют гораздо большую площадь поверхности, чем сплошной объект тех же габаритов или простая полость. Это позволяет, например, более эффективно рассеивать тепло.

Эстетическая привлекательность

Помимо технических и экономических преимуществ, решетчатые структуры привлекательны и с эстетической точки зрения. Их изящные кристаллические или органические формы нравятся многим. Промышленные дизайнеры часто используют это, чтобы сделать свои продукты более привлекательными для потребителей, включая элементы с решетчатыми структурами даже при отсутствии прямой механической выгоды. Решетки могут придать изделию легкий, воздушный вид или помочь передать ощущение высоких технологий и футуризма. Довольно часто продукты, использующие решетчатые структуры, имеют прозрачные элементы, позволяющие потребителю увидеть решетку, поскольку она визуально привлекательна.

В основе решетчатой структуры лежит элементарная ячейка – повторяющаяся форма, которая копируется снова и снова в разных направлениях, образуя решетку. Тип решетки зависит от формы и расположения этих ячеек. Типы решеток можно сгруппировать в общие категории, отражающие их основные свойства.

Существует огромное разнообразие подвидов – фактически, решетчатые структуры являются предметом целых математических исследовательских полей, с множеством публикаций, посвященных их различным вариантам. Эти нюансы выходят за рамки данной статьи; для наших целей достаточно базовых знаний.

Плоские решетки

Простейшая форма решетки, плоская решетка начинается с плоскости, состоящей из двумерных ячеек. Затем эти ячейки выдавливаются в трехмерное пространство.

Стержневые (балочные) решетки

Стержневая решетка состоит из сети взаимосвязанных балок (стержней), которые соединяются в различных конфигурациях на основе используемой элементарной ячейки. Ячейка обычно имеет кубическую форму, а стержни соединяются на гранях, ребрах или вершинах этого куба. Важно понимать, что используемая кубическая ячейка не является физической структурой – это математический элемент проектирования, служащий для построения решетки из стержней. Будет напечатана только сеть стержней.

TPMS-решетки

TPMS расшифровывается как Triply Periodic Minimal Surface (трижды периодическая минимальная поверхность). TPMS-решетка состоит из элементарных ячеек, сгенерированных с использованием тригонометрических уравнений. Изначально описанные в конце XIX века немецким математиком Германом Шварцем, TPMS-структуры находят множество применений в аддитивном производстве.

Распространенным примером является ячейка-гироид, TPMS-ячейка, основанная на уравнении sin(x)cos(y) + sin(y)cos(z) + sin(z)cos(x)=0. Гироидная ячейка состоит из всех точек, где это уравнение истинно.

Путем модификации уравнения или использования другого тригонометрического уравнения можно создавать ячейки различной формы. Решетчатые структуры, полученные из этих форм, сложны и разнообразны и обладают рядом уникальных свойств, которые могут быть использованы в 3D печати.

Периодические и стохастические решетки

Периодическая решетчатая структура – это структура, в которой каждая элементарная ячейка повторяется без изменений по всему объекту. Стохастическая решетка, напротив, имеет ячейки, параметры которых меняются случайным образом. Стохастические решетки могут быть преимуществом в некоторых приложениях. Они могут сделать структуру изотропной, то есть придать ей схожие свойства во всех направлениях.

Примером периодической решетки в природе могут служить пчелиные соты. Это, по сути, плоская решетка, состоящая из однородных по размеру и расположению шестиугольных ячеек. С другой стороны, некоторые виды костной ткани состоят из стохастических решеток: ячеек, размер, форма и расположение которых варьируются в пределах области, создавая прочную структуру, устойчивую к нагрузкам с различных направлений.

Мы рассмотрели некоторые преимущества и области применения решетчатых структур, а также то, как они помогают оптимизировать дизайн. Однако важно отметить, что они также имеют определенные ограничения. Их необходимо учитывать при проектировании изделий для 3D печати.

Элементарная ячейка является основой любой решетчатой структуры и определяет различные свойства объекта, построенного с ее помощью. К сожалению, количество типов ячеек, к которым есть легкий доступ в большинстве пакетов для 3D дизайна, ограничено. Безусловно, существуют специализированные программные инструменты, позволяющие проектировать собственные ячейки и создавать на их основе решетки, однако такая задача может оказаться слишком технически сложной и специфичной для большинства дизайнеров и инженеров. Более практично тщательно изучить типы ячеек, которые доступны вам по умолчанию, и научиться эффективно их использовать.

Из-за высокой сложности решетчатые структуры могут радикально увеличивать размер цифрового файла. При использовании самых распространенных форматов файлов, крупные секции с решетками легко могут увеличить размер файла до более чем 1 ГБ. Это может стать проблемой для большинства компьютеров при необходимости дальнейшей обработки файла. Хотя уменьшение размера сетки (меша) возможно, это следует делать с осторожностью. Неаккуратное упрощение сетки может ухудшить конечный результат.

Симуляция напряжений для 3D моделей уже требует значительных вычислительных мощностей. Необходимые вычисления становятся еще более интенсивными при внедрении решетчатых структур. Для периодических, неизменных решеток вычислительную нагрузку можно снизить, так как свойства одной элементарной ячейки можно экстраполировать на всю решетку. Однако если в дизайне используются ячейки разных типов и размеров, это может оказаться невозможным. В некоторых случаях, особенно если решетчатые структуры очень разнообразны или занимают большую площадь объекта, виртуальные симуляции напряжений могут быть неосуществимы. В таких ситуациях для тестирования потребуется физический прототип, что, очевидно, увеличит время и финансовые затраты на проект.

В то время как аддитивное производство легко справляется со сложностями создания решетчатой структуры, того же нельзя сказать о многих традиционных производственных процессах. Это необходимо учитывать, если вы создаете 3D печатный прототип для продукта, который в будущем планируется производить другими методами. Ограничения традиционных технологий, таких как литье под давлением, должны быть учтены при проектировании детали, включающей решетки. Это особенно важно, если другие элементы детали проектируются под иной производственный процесс. Возможно, потребуется изменить подход к дизайну или рассмотреть альтернативные материалы. В некоторых случаях переход от традиционного производства к 3D печати может оказаться лучшим решением, чем компромисс в качестве конечного продукта. Некоторые дизайны просто не подходят для более традиционных методов. Стоит пересмотреть используемый производственный процесс и перейти на аддитивное производство. Если принято решение выпускать всю продуктовую линейку с помощью 3D печати, возможно, потребуется найти способы сократить время производства.

DigitalCraft3D предоставляет качественные услуги 3D печати по запросу для широкого спектра областей и отраслей. Наша команда поможет вам в разработке 3D моделей и их воплощении в реальность. Мы предлагаем широкий выбор материалов, технологий 3D печати и видов финишной обработки, чтобы вы получили именно тот результат, который хотите. Узнайте больше о возможностях реализации вашего проекта у менеджера DC3D!