Zalety lekkiej konstrukcji nie są trudne do zrozumienia. Weźmy na przykład samochód, lżejsza waga może zapewnić lepsze prowadzenie, a moc wyjściowa silnika może zapewnić większe przyspieszenie. Ponieważ pojazd jest lekki, przyspieszenie podczas ruszania jest lepsze, a droga hamowania podczas hamowania jest krótsza. Weźmy za przykład samoloty. Jeśli masa staje się lżejsza, można poprawić efektywność paliwową i ładowność.
Aby osiągnąć lekkość, poziom makro można osiągnąć za pomocą lekkich materiałów, takich jak stopy tytanu, stopy aluminium, stopy magnezu, ceramika, tworzywa sztuczne, włókno szklane lub materiały kompozytowe z włókna węglowego. Na poziomie mikro części można zaprojektować jako bardziej zwarte i zminiaturyzowane dzięki zastosowaniu materiałów, takich jak stal konstrukcyjna o wysokiej wytrzymałości, co przyczynia się do zmniejszenia masy.
I 3D drukowanie zapewnia możliwość osiągnięcia lekkości dzięki projektowi konstrukcyjnemu. W szczególności istnieją cztery główne sposoby drukowania 3D w celu uzyskania lekkości dzięki projektowi strukturalnemu: pusta struktura warstwowa/wzmocniona cienkościenna, pusta struktura kratownicowa, zintegrowana realizacja struktury i specjalnie ukształtowana struktura optymalizacji topologii.
Podejście 1: Pusta kanapka, cienkościenna wzmocniona konstrukcja
Puste konstrukcje warstwowe i cienkościenne wzmocnione konstrukcje składają się zwykle z cieńszych paneli i grubszych rdzeni. Pod obciążeniem zginającym materiał warstwy powierzchniowej przenosi głównie naprężenie rozciągające i naprężenie ściskające, a materiał rdzenia przenosi głównie naprężenia ścinające i część naprężeń ściskających. Struktura warstwowa ma zalety lekkości, wysokiej sztywności i wytrzymałości na zginanie, silnej zdolności przeciw niestabilności, odporności na zmęczenie, pochłaniania dźwięku i izolacji cieplnej.
W lotnictwie, łopatach turbin wiatrowych, sprzęcie sportowym, przemyśle stoczniowym, lokomotywach i innych dziedzinach stosuje się dużą liczbę konstrukcji warstwowych w celu zmniejszenia masy.
Jeśli jako materiał naskórkowy i rdzeniowy stosuje się stopy aluminium i tytanu, ta struktura warstwowa nazywana jest metalową strukturą warstwową. W procesie drukowania 3D PTJ Hardware wykorzystuje strukturę warstwową, aby uzyskać szybkie i lekkie komponenty. Zaprojektowana struktura warstwowa jest bezpośrednio. Obciążenia rozciągające i ściskające działające na powłokę zewnętrzną mają dobry efekt dyspersyjny, a struktury cienkościenne (takie jak grubości ścianek poniżej 1 mm) mogą również przyczynić się do zmniejszenia masy; Sandwich i podobne konstrukcje mogą być używane jako grzejniki i nakładane na części. Znacznie zwiększają powierzchnię wymiany ciepła części i poprawiają wydajność rozpraszania ciepła.
Podejście 2: Pusta struktura sieciowa
Pusta struktura kratownicowa może osiągnąć idealną równowagę między wytrzymałością inżynieryjną, wytrzymałością, trwałością, statyką, dynamiczną wydajnością i kosztami produkcji. Projektuj i wytwarzaj poprzez dużą liczbę okresowych duplikacji pojedynczych ogniw i dostosuj właściwości mechaniczne struktury, takie jak wytrzymałość i wytrzymałość, dostosowując względną gęstość sieci, kształt, rozmiar, materiał i szybkość ładowania ogniwa.
Trójwymiarowa pusta struktura ma wysoki stopień symetrii przestrzennej, która może równomiernie rozkładać obciążenie zewnętrzne i zapewniać obciążenie.Łożysko pojemność przy jednoczesnym osiągnięciu redukcji wagi. Oprócz wymagań inżynieryjnych, pusta struktura sieciowa ma pory przestrzenne (wielkość porów jest regulowana), co może ułatwić zespolenie ciała ludzkiego (tkanki) i implantu przy zastosowaniu implantów.
Pusta konstrukcja kratownicowa charakteryzuje się dużą elastycznością. W zależności od środowiska użytkowania można projektować jednostki kratowe o różnych kształtach, rozmiarach i porowatościach. Firma Dongguan PTJ Hardware podjęła ciągłe próby w tym zakresie: W obszarach o wysokich wymaganiach dotyczących wytrzymałości komponentów należy dostosować gęstość jednostki kratowej do większej wartości i wybrać wydrążoną jednostkę kratową o wysokiej wytrzymałości konstrukcyjnej; w obszarach o wysokich wymaganiach dotyczących redukcji masy komponentów, dodaj pustą strukturę kratownicy o dużym zakresie lekkich elementów. Pusta struktura może być nie tylko ułożona regularnie, ale również losowo rozmieszczona, tworząc nieregularne pory. Ponadto pusta struktura może również przedstawiać układ przejścia gradientowego o zmiennej gęstości i grubości, aby spełnić ogólne wymagania dotyczące wytrzymałości gradientu komponentu.
Odkryliśmy, że to interesujące, że dużo uwagi poświęcamy temu, w jaki sposób struktura kratownicowa osiąga potrzebną nam siłę i elastyczność. Niektóre bardzo niszowe badania obejmują również sposoby uzyskania wymaganych „podatności”. Wcześniej Brytyjskie Stowarzyszenie Projektów Lekkich (Lightweight Project Alliance) badało, jak zmiażdżyć strukturę kratownicy. Scenariusz zastosowania jest taki, że kiedy powrotna kapsuła kosmiczna wejdzie w warstwę powietrza Ziemi, zmiany ciśnienia i prędkości stanowią wielkie wyzwanie dla mechanicznej struktury kapsuły. Struktura sieciowa dodatku obróbka Ti-6AI-4V uzyskuje ultralekką gęstość 0.4k/cm3. Taka konstrukcja musi być zaprojektowana tak, aby była „zmiażdżona” pod pewną presją. Druk 3D otworzył nowe pole do realizacji mechanicznej wydajności pustej jednostki kratowej.
Ścieżka 3: Realizacja zintegrowanej struktury
Druk 3D może integrować części, które pierwotnie były połączone przez wiele komponentów. To nie tylko realizuje zintegrowaną strukturę części, ale także pozwala uniknąć struktury połączeń (kołnierze, spawy itp.), które istnieją, gdy łączy się wiele oryginalnych części. Pomóż projektantom przełamać ograniczenia w celu uzyskania funkcjonalnego projektu optymalizacji.
Realizacja zintegrowanej konstrukcji nie tylko niesie za sobą zalety lekkości, ale także zmniejsza potrzebę montażu i otwiera realną przestrzeń dla przedsiębiorstw w celu poprawy wydajności produkcji. Typowym przypadkiem w tym zakresie jest ciągła optymalizacja, testowanie i ponowna optymalizacja konstrukcji wtryskiwaczy paliwa przez GE przez ponad 10 lat poszukiwań, zmniejszając liczbę części wtryskiwaczy paliwa z ponad 20 do jednego. Integracja konstrukcji za pomocą druku 3D nie tylko rozwiązuje problem łatwego przegrzewania i osadzania się węgla we wtryskiwaczu paliwa, ale także pięciokrotnie zwiększa żywotność wtryskiwacza i poprawia osiągi silnika LEAP.
Ścieżka 4: Specjalnie ukształtowana struktura optymalizacji topologii
Optymalizacja topologii jest ważnym sposobem na skrócenie procesu projektowania wytwarzania przyrostowego. Optymalizacja topologii służy do określania i usuwania materiałów, które nie wpływają na sztywność części. Metoda topologii określa najlepszy rozkład materiału w określonym obszarze projektowym: w tym warunki brzegowe, napięcie wstępne i obciążenia.
Optymalizacja topologii polega na redystrybucji materiałów na oryginalne części i często pozwala osiągnąć optymalizację funkcjonalną opartą na wymaganiach dotyczących redukcji masy. Zoptymalizowana topologicznie struktura o specjalnym kształcie jest symulowana i analizowana w celu ukończenia ostatecznego modelowania. Te projekty często nie mogą być przetwarzane tradycyjnymi metodami przetwarzania, ale można je uzyskać za pomocą drukowania 3D. Zwykle produkt drukowany w 3D i części wytwarzane w tradycyjnym procesie nadal muszą być ze sobą połączone, więc projekt połączenia dwóch części należy rozważyć w tym samym czasie.
Przedstawione powyżej cztery struktury druku 3D są jednym z kierunków osiągnięcia mechanicznej lekkości. Realizacja lekkiej konstrukcji mechanicznej to systematyczny projekt, począwszy od optymalizacji projektu i produkcji każdego kluczowego komponentu, po opracowanie i zastosowanie lekkich materiałów. Niezastąpiony na drodze lekkich eksploracji.
Link do tego artykułu:Cztery sposoby na uzyskanie lekkiego druku 3D
Oświadczenie o przedruku: Jeśli nie ma specjalnych instrukcji, wszystkie artykuły na tej stronie są oryginalne. Proszę wskazać źródło przedruku: https://www.cncmachiningptj.com/，thanks！
