Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie
  • STRONA GŁÓWNA
  • Aktualności
    Wieloskładnikowy stop wysokotemperaturowy do budowy turbin

    Wieloskładnikowy stop wysokotemperaturowy

    Nowy patent na rowerową przekładnię

    Nowy patent na rowerową przekładnię

    Skurcz w reakcji na naprężenia rozciągające

    Skurcz w reakcji na rozciąganie

    Nowa technologia produkcji drzwi samolotów pasażerskich

    Nowa technologia produkcji drzwi samolotów pasażerskich

    Symulacje inżynierskie w mechanice – międzynarodowy konkurs dla studentów

    Symulacje inżynierskie w mechanice – międzynarodowy konkurs dla studentów

    superjammer najsilniejsze ramię robota

    Najsilniejsze ramię robota

    chwytak z taśmy mierniczej

    Chwytak z taśmy mierniczej

    Nowy stop miedzi do zastosowań wysokotemperaturowych

    Nowy stop miedzi do zastosowań wysokotemperaturowych

    Cyklokopter BlackBird

    Cyklokopter BlackBird w powietrzu

  • Artykuły
    • Wszystkie artykuły
    • Analizy, symulacje
    • Badania, analizy
    • Części maszyn i urządzeń
    • Historia
    • Inne
    • Konstrukcje
    • Maszyny i urządzenia
    • Materiały
    • Projektowanie
    • Rozwiązania
    • Technologie
    Pierścienie Ustalające Smalley Spirolox

    Pierścienie ustalające Smalley Spirolox

    badanie materiałowe polimerów na potrzeby MES

    Badania materiałowe i modelowanie polimerów na potrzeby symulacji MES

    Wywrotnica czołowa o ruchu kontrolowanym

    Historia jednego patentu – czyli dlaczego warto znać teorię

    separator do docierania wałków

    Docieranie otworów i powierzchni walcowych

    Honowanie na standardowych centrach obróbczych

    Honowanie na standardowych centrach obróbczych

    mantra-ford ms80 1969

    Spór o aerodynamikę: skrzydła w Formule 1

    Efektywność i optymalizacja technologii

    Efektywność i optymalizacja technologii

    Resztkowa poduszka tworzywa w procesie wtrysku

    Resztkowa poduszka tworzywa w procesie wtrysku

    Nadsmarowność przełom w tribologii

    Nadsmarowność – przełom w tribologii?

    obróbka wykończająca honowanie

    Obróbka wykończająca: honowanie

    Prognozowanie wyboczenia wskutek odkształceń termicznych

    Prognozowanie wyboczenia wskutek odkształceń termicznych

    Wybrane aspekty produktywnego skrawania na wieloosiowych obrabiarkach CNC

    Wybrane aspekty produktywnego skrawania na wieloosiowych obrabiarkach CNC; cz. 7

    pamar axial engine

    Osiowe silniki wewnętrznego spalania

    Analiza i synteza w projektowaniu obrabiarek

    Analiza i synteza w projektowaniu obrabiarek

    obróbka elektrochemiczna

    Niekonwencjonalne metody wytwarzania – obróbka elektrochemiczna

    Wybrane tematy:

    • robotyzacja
    • spawanie
    • obróbka skrawaniem
    • MES
    • klejenie
    • tworzywa sztuczne
    • motoryzacja
    • CAD
    • polskie projekty
    • lotnictwo
    • druk 3D
    • silniki
    • formy wtryskowe
    • budowa maszyn
    • technologie łączenia
    • obliczenia
    • kompozyty
    • ceramika techniczna
    • Analizy, symulacje
    • Badania, analizy
    • Technologie
    • Maszyny i urządzenia
    • Części maszyn i urządzeń
    • Konstrukcje
    • Rozwiązania
    • Projektowanie
    • Materiały
    • Historia
    • Inne
  • Czasopismo
    • O czasopiśmie
    • Jak zakupić
    • Archiwum
      • Archiwum 2025
      • Archiwum 2024
      • Archiwum 2023
      • Archiwum 2022
      • Archiwum 2021
      • Archiwum 2020
      • Archiwum 2019
      • Archiwum 2018
      • Archiwum 2017
      • Archiwum 2016
      • Archiwum 2015
      • Archiwum 2014
      • Archiwum 2013
      • Archiwum 2012
      • Archiwum 2011
      • Archiwum 2010
      • Archiwum 2009
      • Archiwum 2008
      • Archiwum 2007
  • Kontakt
  • ­
Nie znaleziono
Zobacz wszystkie wyniki
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie
  • STRONA GŁÓWNA
  • Aktualności
    Wieloskładnikowy stop wysokotemperaturowy do budowy turbin

    Wieloskładnikowy stop wysokotemperaturowy

    Nowy patent na rowerową przekładnię

    Nowy patent na rowerową przekładnię

    Skurcz w reakcji na naprężenia rozciągające

    Skurcz w reakcji na rozciąganie

    Nowa technologia produkcji drzwi samolotów pasażerskich

    Nowa technologia produkcji drzwi samolotów pasażerskich

    Symulacje inżynierskie w mechanice – międzynarodowy konkurs dla studentów

    Symulacje inżynierskie w mechanice – międzynarodowy konkurs dla studentów

    superjammer najsilniejsze ramię robota

    Najsilniejsze ramię robota

    chwytak z taśmy mierniczej

    Chwytak z taśmy mierniczej

    Nowy stop miedzi do zastosowań wysokotemperaturowych

    Nowy stop miedzi do zastosowań wysokotemperaturowych

    Cyklokopter BlackBird

    Cyklokopter BlackBird w powietrzu

  • Artykuły
    • Wszystkie artykuły
    • Analizy, symulacje
    • Badania, analizy
    • Części maszyn i urządzeń
    • Historia
    • Inne
    • Konstrukcje
    • Maszyny i urządzenia
    • Materiały
    • Projektowanie
    • Rozwiązania
    • Technologie
    Pierścienie Ustalające Smalley Spirolox

    Pierścienie ustalające Smalley Spirolox

    badanie materiałowe polimerów na potrzeby MES

    Badania materiałowe i modelowanie polimerów na potrzeby symulacji MES

    Wywrotnica czołowa o ruchu kontrolowanym

    Historia jednego patentu – czyli dlaczego warto znać teorię

    separator do docierania wałków

    Docieranie otworów i powierzchni walcowych

    Honowanie na standardowych centrach obróbczych

    Honowanie na standardowych centrach obróbczych

    mantra-ford ms80 1969

    Spór o aerodynamikę: skrzydła w Formule 1

    Efektywność i optymalizacja technologii

    Efektywność i optymalizacja technologii

    Resztkowa poduszka tworzywa w procesie wtrysku

    Resztkowa poduszka tworzywa w procesie wtrysku

    Nadsmarowność przełom w tribologii

    Nadsmarowność – przełom w tribologii?

    obróbka wykończająca honowanie

    Obróbka wykończająca: honowanie

    Prognozowanie wyboczenia wskutek odkształceń termicznych

    Prognozowanie wyboczenia wskutek odkształceń termicznych

    Wybrane aspekty produktywnego skrawania na wieloosiowych obrabiarkach CNC

    Wybrane aspekty produktywnego skrawania na wieloosiowych obrabiarkach CNC; cz. 7

    pamar axial engine

    Osiowe silniki wewnętrznego spalania

    Analiza i synteza w projektowaniu obrabiarek

    Analiza i synteza w projektowaniu obrabiarek

    obróbka elektrochemiczna

    Niekonwencjonalne metody wytwarzania – obróbka elektrochemiczna

    Wybrane tematy:

    • robotyzacja
    • spawanie
    • obróbka skrawaniem
    • MES
    • klejenie
    • tworzywa sztuczne
    • motoryzacja
    • CAD
    • polskie projekty
    • lotnictwo
    • druk 3D
    • silniki
    • formy wtryskowe
    • budowa maszyn
    • technologie łączenia
    • obliczenia
    • kompozyty
    • ceramika techniczna
    • Analizy, symulacje
    • Badania, analizy
    • Technologie
    • Maszyny i urządzenia
    • Części maszyn i urządzeń
    • Konstrukcje
    • Rozwiązania
    • Projektowanie
    • Materiały
    • Historia
    • Inne
  • Czasopismo
    • O czasopiśmie
    • Jak zakupić
    • Archiwum
      • Archiwum 2025
      • Archiwum 2024
      • Archiwum 2023
      • Archiwum 2022
      • Archiwum 2021
      • Archiwum 2020
      • Archiwum 2019
      • Archiwum 2018
      • Archiwum 2017
      • Archiwum 2016
      • Archiwum 2015
      • Archiwum 2014
      • Archiwum 2013
      • Archiwum 2012
      • Archiwum 2011
      • Archiwum 2010
      • Archiwum 2009
      • Archiwum 2008
      • Archiwum 2007
  • Kontakt
  • ­
Nie znaleziono
Zobacz wszystkie wyniki
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie
Nie znaleziono
Zobacz wszystkie wyniki

Struktury lattice w druku 3D

­ Michał Krzysztoporski
24.06.2019
A A

O zaletach technologii przyrostowych nie trzeba dziś nikogo przekonywać. Dostępność drukarek 3D na światowym oraz polskim rynku jest ogromna. Skutkuje to coraz szerszym spektrum zastosowań tej technologii przyrostowej. Oprócz tego, że prawie każda gałąź przemysłu wykorzystuje dziś, w mniejszym lub większym stopniu, druk 3D, to zmienia się również przeznaczenie produkowanych elementów. Służą one nie tylko jako szybko i relatywnie tanio wytworzone prototypy, ale również jako finalny produkt. Z racji tego, coraz większe zastosowanie mają dziś rozwiązania, których użycie wcześniej było niemożliwe, z uwagi na ograniczenia konwencjonalnych technik wytwarzania. Jednym z takich rozwiązań są struktury lattice.

W języku polskim nie istnieje odpowiednik tej angielskiej nazwy. W literaturze można spotkać się z określeniami: struktury ażurowe, kratownice przestrzenne, struktury siatkowe. Z racji wygody i jednoznaczności w niniejszym artykule pozostawimy nazwę angielską. Strukturę lattice zdefiniować można jako sieć połączonych ze sobą komórek elementarnych, składających się z prętów połączonych w węzłach, tworzących strukturę przestrzenną. Przykładowa struktura została pokazana na rysunku 1.

struktura lattice
Rys. 1 Przykładowa struktura lattice

Struktury lattice są zaliczane do grupy materiałów porowatych, do której należą m.in.: drewno czy korek. To właśnie w naturze można odnaleźć genezę zainteresowania tego typu strukturami. Obserwując budowę roślin, czy kości, możemy zauważyć, że zewnętrzna lita skorupa wypełniona jest porowatą strukturą zwiększającą sztywność, przy zachowaniu niskiej masy. Dodatkowo, często dostosowuje się ona do obciążenia występującego w danym regionie. Cechy te stały się inspiracją do odwzorowania tej struktury w konstrukcjach tworzonych przez człowieka. Jej końcowe własności zależą od trzech czynników: materiału użytego do wytworzenia struktury, typu komórki elementarnej oraz relatywnej gęstości. Istnieje wiele opracowań naukowych, w których opisane są komórki elementarne, mogące mieć zastosowanie w strukturach lattice. Przede wszystkim wyróżnia się struktury zdominowane przez zginanie oraz rozciąganie. Te pierwsze charakteryzują się wysoką absorpcją energii, a należą do niej m.in: struktury stochastyczne, których komórki elementarne rozłożone są losowo w przestrzeni, ale także regularne czternastościenne. Struktury zdominowane przez rozciąganie charakteryzują się natomiast wysoką sztywnością, przy zachowaniu niskiej masy, a zaliczają się do nich głównie struktury regularne, np.: sześcienne, czy tetraedryczne (czworościenne). Ostatnim czynnikiem wpływającym na własności struktury jest jej relatywna gęstość, czyli stosunek objętości wykorzystanego materiału do pierwotnej objętości litej bryły.

Użycie struktur lattice stale rośnie, głównie z powodu swobody kształtowania własności, np.: mechanicznych, końcowych wyrobów. Przede wszystkim należy wymienić inżynierię biomedyczną, a w szczególności różnego rodzaju implanty. Precyzyjne dopasowanie sztywności implantu stawu do sztywności kości dzięki strukturom lattice umożliwia uniknięcie efektu ekranowania naprężeń. Polega on na przejmowaniu naprężenia przez zbyt sztywny implant i zanikaniu odciążonej tkanki kostnej wokół implantu. Struktury lattice służą również jako warstwy powierzchniowe. umożliwiające szybsze i mocniejsze połączenie się tkanek ludzkich z wszczepionymi.

W niniejszym artykule przedstawimy możliwości uzyskania struktur lattice w programie NX na modelu 3D stojaka do smartfona, uzyskanego w wyniku optymalizacji topologicznej, a który został zaprezentowany w artykule opublikowanym w ostatnim wydaniu Projektowania i Konstrukcji Inżynierskich (Rys. 2).

model CAD
Rys. 2 Model początkowy bez struktury lattice
Podział na bryłę zewnętrzną i wewnętrzną
Rys. 3 Podział na bryłę zewnętrzną i wewnętrzną

Pierwszym krokiem jest wyodrębnienie jednego lub wielu obiektów bryłowych, w których zostanie stworzona struktura lattice. Tutaj użytkownik mógłby natrafić na pierwszą trudność, gdyż w przypadku technologii przyrostowych często geometria dostarczana jest w formie modelu wielokątowego (STL). Zazwyczaj chęć wprowadzenia zmian w tego typu modelu sprowadzałaby się do skomplikowanej i czasochłonnej odbudowy modelu w procesie inżynierii odwrotnej. W przypadku NX dostępna technologia modelowania konwergentnego pozwala na użycie brył wielokątowych wymiennie z konwencjonalnymi bryłami (BREP), za pomocą standardowych operacji. Bryła, będąca wynikiem optymalizacji topologicznej, również jest obiektem wielokątowym. Aby uzyskać podział bryły na zewnętrzną skorupę o zadanej grubości i objętość wypełniającą, można posłużyć się operacją Odsunięcie. Efekt został zaprezentowany na rysunku 3.

Z tak przygotowaną geometrią można przejść do generowania siatki lattice. Do wypełniania wskazanego obiektu bryłowego można wykorzystać dwie metody dostępne w poleceniu Siatka: wypełnienie jednostkowe komórkami elementarnymi oraz wypełnienie czworościanu siatką tetraedryczną. W przypadku wypełnienia jednostkowego mamy do dyspozycji szereg wzorów komórek elementarnych, które zostały przedstawione na rysunku 4.

Dostępne typy komórek elementarnych w poleceniu Siatka
Rys. 4 Dostępne typy komórek elementarnych w poleceniu Siatka

W tym zbiorze znajdują się zarówno komórki zdominowane przez zginanie, np.: dodecahedron, jak i przez rozciąganie, np.: quaddiametrical. Ostateczne własności wytrzymałościowe struktury zależą również od jej orientacji względem obciążenia. Możemy dowolnie orientować je w modelowanej bryle (Rys. 5). Ponadto, korzystając z opcji losowego rozmieszczenia węzłów, uzyskuje się strukturę stochastyczną.

Porównanie struktur lattice z różnie zorientowanymi komórkami elementarnymi
Rys. 5 Porównanie struktur lattice z różnie zorientowanymi komórkami elementarnymi

Oprócz tego, dany obiekt bryłowy może zostać wypełniony strukturą tetraedryczną. Ma ona jeden z najkorzystniejszych stosunków sztywności do masy, a także nie jest ona powielana równomiernie wzdłuż głównych osi, lecz dopasowuje rozmieszczenie węzłów do kształtu zewnętrznych ścian bryły (Rys. 6).

struktura tetraedryczna
Rys. 6 Przykładowa struktura tetraedryczna

Oprócz definiowania typu i rozmieszczenia komórki elementarnej możemy wpływać na ostateczne własności mechaniczne poprzez ustalanie relatywnej gęstości struktury lattice. Parametrami, które pozwalają to regulować są: długość i średnica prętów. Wymiary komórki elementarnej mogą być ustalane niezależnie od siebie, co dodatkowo umożliwia kształtowanie własności wzdłuż każdej z głównych osi struktury (Rys. 7).

Struktury Lattice w Druku 3D
Rys. 7 Struktura lattice z jednorodnym i niejednorodnym rozmiarem komórki elementarnej
Zsumowana bryła wraz ze strukturą lattice
Rys. 8 Zsumowana bryła wraz ze strukturą lattice

Po zatwierdzeniu operacji program generuje strukturę lattice w formie obiektu wielokątowego. Przede wszystkim koniecznym krokiem jest zsumowanie operacją Suma stworzonej struktury do reszty bryły. Warty uwagi jest fakt, że nie ma znaczenia, jakiego typu brył chcemy użyć, gdyż program pozwala wybranie typu obiektu docelowego, jak i narzędzia bez ograniczeń. W przypadku prezentowanego przykładu zsumowane zostaną dwie bryły STL. Ułatwi to sprawdzenie połączenia brył przed wysłaniem pliku, np.: do drukarki 3D oraz wyeliminuje powtarzające się elementy wielokątowe, przy ewentualnym eksporcie (Rys. 8).

Dodatkowym narzędziem sprawdzającym struktury lattice przed wydrukiem jest polecenie Filtruj siatkę. Pozwala ono na wskazanie tych regionów, których wytworzenie byłoby niemożliwe ze względu na ograniczenia drukarki. Filtrowanie można wykonać – wg kąta nawisu, maksymalnej długości pręta oraz niepołączonych prętów. Wynik tej operacji pokazano na rysunku 9.

Polecenie Filtruj siatkę
Rys. 9 Polecenie Filtruj siatkę

Oprócz sprawdzenia modelu pod kątem technologicznym, na podstawie ostatecznej geometrii można stworzyć symulację wytrzymałościową MES. Dyskretyzacja modelu ze strukturą lattice nie jest łatwym procesem, z uwagi na dużą liczbę niewielkich elementów, co w konsekwencji spowodowałoby wydłużenie czasu obliczeń. W NX Continuous Release, przy tworzeniu nowej symulacji program automatycznie przekształca pręty struktury lattice do elementów 1D, wraz z przypisaną geometrią przekroju (Rys. 10). Zdecydowanie ułatwia to potencjalnie czasochłonny proces przygotowania modelu geometrycznego do przeprowadzenia symulacji. Dodatkowo eliminuje prawdopodobieństwo przypisania niepoprawnych danych do modelu symulacyjnego.

Przekształcona struktura lattice do elementów 1D
Rys. 10 Przekształcona struktura lattice do elementów 1D

Opisana struktura wypełnia wcześniej przygotowaną objętość. Można zauważyć wiele zastosowań, w których struktura lattice układana jest na powierzchni lub warstwowo – w kierunku normalnym do powierzchni. W tym celu polecenie Siatka umożliwia również nałożenie danej liczby warstw struktury lattice o określonej grubości. Tutaj również możemy wybrać pomiędzy metodą nakładania komórek elementarnych bądź siatki tetraedrycznej. Przykładem może być prezentowany detal (Rys. 12), w którym zewnętrzne ściany zostały zastąpione strukturą tetraedryczną o grubości 2 mm, a objętość wewnątrz została wypełniona różnego typu strukturami na bazie komórek elementarnych. W przypadku takich modeli zwykłe zsumowanie brył nie wystarczy. Połączenie struktur lattice odbywa się przez stworzenie dodatkowych prętów struktury, łączących węzły znajdujące się w określonej odległości od siebie. Aby zamodelować takie połączenie, należy użyć połączenia Połącz siatki (Rys. 11).

Polecenie Połącz siatki
Rys. 11 Polecenie Połącz siatki
Wydrukowany detal oraz model 3D z powierzchniową strukturą lattice
Rys. 12 Wydrukowany detal oraz model 3D z powierzchniową strukturą lattice

Jak wspomniałem, struktury lattice mogą zostać użyte jako powłoka zwiększająca bioresorbowalność implantu. Połączenie wyżej przedstawionych możliwości pozwala na zamodelowanie takiej struktury. Ciągły rozwój badań nad optymalną geometrią komórek elementarnych, m.in. w przypadku takich powłok, często wymusza na użytkowniku konieczność wykorzystania w modelu opracowanej przez siebie struktury. Dlatego też, jako ostatnia zostanie zaprezentowana operacja Edytor komórek elementarnych. Łącząc w odpowiedni sposób punkty wewnątrz jednostkowego sześcianu definiujemy wzór komórki elementarnej, a następnie zapisujemy go w formie pliku .xml. Tak zapisana komórka może zostać wczytana w operacji Siatka i wykorzystana identycznie z tymi, dostarczonymi wraz z oprogramowaniem (Rys. 13).

Tworzenie własnej komórki elementarnej
Rys. 13 Tworzenie własnej komórki elementarnej

Michał Krzysztoporski

artykuł pochodzi z wydania 6 (141) czerwiec 2019

Tagi: CADdruk 3D

Powiązane artykuły

Druk 3D z Adaptacyjną Dyszą
Aktualności

Druk 3D z adaptacyjną dyszą

wytwarzanie przyrostowe WAAM śruby napędowej
Rozwiązania

Druk przestrzenny w sektorze morskim

Ultradźwięki W Wytwarzaniu Przyrostowym Z Metalu
Aktualności

Ultradźwięki w wytwarzaniu przyrostowym ze stopów metali

Geometryzacja Zapisu Cyfrowego Obrazu Elementu Uzyskanego Ze Skanowania 3D
Projektowanie

Geometryzacja zapisu cyfrowego obrazu elementu uzyskanego ze skanowania 3D; cz. 2

Inżynieria Odwrotna (reverse Engineering) w CATIA 3DEXPERIENCE
Projektowanie

Inżynieria odwrotna (Reverse Engineering) w CATIA 3DEXPERIENCE; cz. 4

Druk 3D z metali i metal injection molding (MIM) jako technologie komplementarne
Technologie

Druk 3D z metali i metal injection molding (MIM) jako technologie komplementarne

najnowsze-wydanie_03-04_2025

Rotor Clip

Tematyka:

aluminium automatyzacja budowa maszyn CAD cięcie CNC diagnostyka druk 3D energetyka formy wtryskowe innowacje inżynieria materiałowa klejenie kompozyty laser lotnictwo maszyny rolnicze mechanizm MES modelowanie montaż motocykle motoryzacja obliczenia obrabiarki obróbka plastyczna obróbka skrawaniem polskie projekty pomiary programy przemysł kosmiczny przemysł morski przemysł zbrojeniowy robot robotyzacja silniki spawanie stal technologie łączenia tribologia tworzywa sztuczne wynalazki wywiad zgrzewanie łożyska
FORMY WTRYSKOWE Integracja Konstrukcji i Technologii Ebook
Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie
  • O czasopiśmie
  • Polityka prywatności
  • Kontakt

© ITER 2007-2025

Nie znaleziono
Zobacz wszystkie wyniki
  • STRONA GŁÓWNA
  • Aktualności
  • Artykuły
    • Analizy, symulacje
    • Badania, analizy
    • Technologie
    • Maszyny i urządzenia
    • Części maszyn i urządzeń
    • Konstrukcje
    • Rozwiązania
    • Projektowanie
    • Materiały
    • Historia
    • Inne
  • Czasopismo
    • O czasopiśmie
    • Jak zakupić
    • Archiwum
      • Archiwum 2025
      • Archiwum 2024
      • Archiwum 2023
      • Archiwum 2022
      • Archiwum 2021
      • Archiwum 2020
      • Archiwum 2019
      • Archiwum 2018
      • Archiwum 2017
      • Archiwum 2016
      • Archiwum 2015
      • Archiwum 2014
      • Archiwum 2013
      • Archiwum 2012
      • Archiwum 2011
      • Archiwum 2010
      • Archiwum 2009
      • Archiwum 2008
      • Archiwum 2007
  • Kontakt
  • ­

© ITER 2007-2025