研究

研究人员3D打印无支撑网格的灵感来自海胆

研究人员国立台湾科技大学使用熔融沉积建模(FDM) 3D打印新的晶格结构,不需要任何支撑结构。

贝壳状的格子结构是基于海胆的形态,具有机械稳定和承重的形状。研究人员的目标是在他们打印的晶格结构中模拟这些特性,以消除对支撑结构的需要,从而减少在打印过程和后续后处理步骤中所需的材料、能量和时间。

这种受海胆启发的格子设计具有特定的刚度和能量吸收特性,可能在终端消费产品中有潜在的应用,如低成本的鞋中底和滑雪靴。研究人员称,这种网格结构也可以以轮胎和汽车破碎箱的形式部署在汽车领域,或者“任何其他吸收能量的”结构。

研究人员基于海胆壳的设计和蜂巢中的紧密排列结构设计了他们的晶格结构。通过3D打印和增材制造的图像/Mary Ann Liebert。
研究人员基于海胆壳的设计和蜂巢中的紧密排列结构设计了他们的晶格结构。通过3D打印和增材制造的图像/Mary Ann Liebert。

去掉不需要的支持

使用FDM工艺打印晶格结构需要一个支撑结构,以确保打印的每个晶格单元都没有缺陷,没有变形或下垂。在后处理过程中,通过机械或化学方法将这种支撑结构移除。

当使用像TPU这样的弹性材料印刷时,必须使用相同的材料作为支撑,由于结构的复杂性质,通过化学或机械手段将支撑从晶格中移除几乎是不可能的。这种广泛的后处理工作,加上打印支架所需的额外材料、能量和加工时间,促使研究人员着手设计稳定的、可通过FDM产生的自支撑TPU晶格结构。

研究人员还希望利用特殊的力学特性,如刚度和能量吸收,在加载和卸载结构时产生体面的压缩结果,以确保它们适用于鞋类和其他能量吸收应用。

之前的研究来自中国东南大学已经开始为更强更有效的对象使用FDM过程打印,使用类似于格子的一致填充模式。在其他地方,一个团队来自加州大学伯克利分校已经发展出一种合并的方式了吗3D打印聚合物八隅体晶格到混凝土结构作为强化物。网格结构显著降低了结构的整体重量,也被证明与传统水泥一样具有承重能力。

用Ultimaker FDM打印机和Ultimaker TPU长丝打印样品。通过3D打印和增材制造的图像/Mary Ann Liebert。
用Ultimaker FDM打印机和Ultimaker TPU长丝打印样品。通过3D打印和增材制造的图像/Mary Ann Liebert。

用FDM打印格

研究人员决定采用FDM 3D打印方法是因为它的低运营成本和维护成本。他们希望通过在打印晶格结构时消除对支撑结构的需求,从而实现更高的打印速度和更好的构建质量,从而使FDM过程更加高效。

在FDM过程中,当晶格结构有陡峭的悬挑和平行的壁架时,需要使用支撑。研究人员发现,为了打印自支撑网格,他们需要确保最大的悬挑角为45度,并消除结构的平行突起。

这个拟议的网格是由相互连接的实体支柱网络组成的,这些支柱构成了基本的建筑块,然后可以镶嵌在一个周期结构中。该结构基于一种受海胆圆顶启发的蜂窝设计,这种设计在材料上是经济的,并且能够有效地将压缩应力从圆顶表面转移到边缘。这使得结构更加坚固和稳定,并在以前的建筑设计中使用。

用TPU灯丝印制了几种不同的晶格Flashforge海狸3和UltimakerFDM 3D打印机,单位晶格尺寸为8x8x8mm。然后,单元格被镶嵌成一个直径为38毫米、厚度为16毫米的圆柱体。在打印完晶格结构后,不需要任何后处理步骤,就可以开始测试晶格的力学性能。

对(a)无支撑网架结构、(b) BCC网架结构、(c) EVA泡沫材料进行加卸载试验。通过3D打印和增材制造的图像/Mary Ann Liebert。
对(a)无支撑网架结构、(b) BCC网架结构、(c) EVA泡沫材料进行加卸载试验。通过3D打印和增材制造的图像/Mary Ann Liebert。

计算晶格结构

研究人员发现,他们的3D打印无支撑的栅格结构可以提高FDM 3D打印过程的整体速度,用于建造定制部件,而栅格本身为制造具有广泛体积、密度和尺寸的部件提供了“巨大的潜力”。

对3D打印的网格进行目视检查,发现结构内部没有缺陷或断裂,证明无支撑的网格结构可以用于最终产品,如中底和轮胎。在循环荷载作用下,结构也表现出接近恒定的能量回报。

据研究人员称,其结构在能量吸收和刚度方面显著优于基准体心立方(BCC)点阵和乙烯醋酸乙烯(EVA)泡沫。此外,打印无支撑的栅格比打印有支撑的栅格少花了3个小时,并节省了大约11个小时的后处理时间。打印这些格子的成本也比打印支撑结构的类似结构低三倍。

展望未来,研究人员希望他们的无支撑晶格结构能够应用于开发使用FDM的运动鞋和滑雪靴的定制中底。他们还将研究流量对使用固定喷嘴直径打印网格精度的影响。

关于这项研究的进一步信息可以在标题为熔融沉积模型制备的无支撑能量吸收晶格结构,发表在《3D打印与增材制造》杂志上。这篇论文的合著者是A. Kumar, S. Verma, J. Jeng。

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特色的图像显示研究人员基于海胆壳的设计来设计他们的晶格结构。通过Halef / Pixabay照片。