Carbon®白皮書：網(wǎng)格創(chuàng)新，3D打印實現(xiàn)零件的可制造性

來源：Carbon

大約80年前，Otto Bayer博士發(fā)現(xiàn)了聚氨酯泡沫化學。隨后，泡沫逐漸應用在汽車，包裝，建筑，電子，床上用品和家具等行業(yè)。今天Carbon利用可編程樹脂和軟件設計的彈性體網(wǎng)格創(chuàng)新推動彈性材料發(fā)展。Carbon的精細調(diào)整的網(wǎng)格將從根本上增強現(xiàn)有泡沫應用的舒適性，性能和安全性。

傳統(tǒng)的泡沫技術(shù)
人體工程學研究人員一直在尋找一種結(jié)構(gòu)化的方法來量化舒適度。泡沫是最通用和最廣泛的產(chǎn)品之一。對于許多應用，例如座椅和耳機，泡沫可根據(jù)成分，位置和厚度等因素實現(xiàn)各種性能特征。盡管這種材料被廣泛采用，但所有傳統(tǒng)的泡沫設計和實驗方法仍然具有相同的顯著限制，即應用于泡沫的壓縮力線性增加，導致嚴重的設計限制。

泡沫的負載和壓縮之間的線性關系

通過開發(fā)出閉孔彈性體泡沫，可實現(xiàn)一定非線性的負載。這種方法使產(chǎn)品可以在一定程度上進行更好的設計。但是這需要付出相當大的成本，同時影響產(chǎn)品的透氣性。

閉孔彈性體泡沫的示意性壓縮應力 - 應變響應

Carbon的網(wǎng)格創(chuàng)新
Carbon的技術(shù)在3D制造方面前所未有，可以生產(chǎn)具有功能性彈性材料的網(wǎng)格，從而開辟了廣泛的可能性。使用網(wǎng)格的產(chǎn)品設計人員利用軟件工具來優(yōu)化其設計中的理想網(wǎng)格參數(shù)，例如網(wǎng)格類型，形狀和支柱尺寸，以實現(xiàn)所需的機械響應和零件的可制造性。

通過解決過去的制造限制，Carbon的技術(shù)開辟了設計和生產(chǎn)具有復雜幾何形狀的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和建筑材料的新領域。這極大地擴展了許多行業(yè)中常用的聚合物和泡沫基部件的可行設計空間，包括航空航天，汽車，電子，包裝，建筑和時尚。為了充分探索這個擴展的空間，產(chǎn)品設計師需要分析，預測和優(yōu)化具有復雜幾何形狀和材料非線性的結(jié)構(gòu)的行為。 Carbon的網(wǎng)格軟件旨在通過計算建模和分析來滿足這一需求。該軟件包模擬了數(shù)字化制造 - 測試 - 調(diào)諧的繁瑣過程，因此大大減少了產(chǎn)品開發(fā)的時間和成本。

計算力學
Carbon的軟件團隊開發(fā)了非線性有限元（FE）代碼，用于建模和預測網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和材料的力學行為。該代碼能夠?qū)�復雜的幾何和材料非線性進行網(wǎng)格劃分和分析。有限元分析基于非線性光束，2D和3D連續(xù)體力學模型，能夠捕獲結(jié)構(gòu)內(nèi)的后屈曲，折斷和接觸。這種用于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)化材料的工藝通常包括彈性，屈服條件，硬度，沖擊，振動和公差等性能，同時考慮附加的功能，幾何和性能限制。起初我們對機械響應進行建模并評估其對設計屬性的敏感性。在迭代過程中，我們逐漸改變設計參數(shù)，即幾何參數(shù)，例如網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格的形狀，以微調(diào)其屬性。如果需要與黃金屬性精確匹配，則在此過程中使用基于梯度的優(yōu)化技術(shù)。我們還使用模擬技術(shù)開發(fā)了具有不同機械特性的網(wǎng)格庫，可用于選擇合理的初始設計，最大限度地降低計算成本。

以下屏幕截圖顯示了非線性幀模擬：

Carbon還致力于在一個部件中組合多個網(wǎng)格圖案，以實現(xiàn)例如單個部件的可變響應。并非傳統(tǒng)的試錯過程，Carbon的簡化方法只需要提供所需的零件機械響應和其他設計約束，如重量和尺寸。使用Carbon經(jīng)過驗證的超材料庫，軟件工具輸出滿足零件機械加載要求的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并檢查可制造性。此外，該工具允許在同一部件內(nèi)分配不同的機械性能，從而實現(xiàn)多個功能區(qū)。

憑借Carbon的技術(shù)能力，網(wǎng)格可以在多種應用中成功取代泡沫，包括鞋中底，頭盔內(nèi)襯，耳機，座椅，耳機和矯形墊，以下僅簡單舉例。

安全
膨脹聚苯乙烯（EPS）泡沫用于安全應用，例如頭盔和汽車座椅，因為它可以吸收沖擊能量并保護人類。而利用Carbon網(wǎng)格系統(tǒng)，產(chǎn)品開發(fā)團隊不僅可以創(chuàng)建單片零件，還可以創(chuàng)建可以吸收沖擊能量的設計。

傳統(tǒng)上，安全產(chǎn)品需要昂貴的多個泡沫部件的組裝，以在單個產(chǎn)品內(nèi)產(chǎn)生不同的功能性能區(qū)域。使用Carbon的可調(diào)諧網(wǎng)格解決方案，設計人員現(xiàn)在可以3D制造由同一材料生產(chǎn)的單個整體部件，其設計可提供多個功能性能區(qū)域。這種方法使產(chǎn)品具有更高的安全性能，并消除了多個泡沫界面，傳統(tǒng)上是零件故障的一個部位。此外，設計師可以針對運動設備（如頭盔和護墊）中的高沖擊應用，根據(jù)個人運動員生理數(shù)據(jù)定制網(wǎng)格。

可以從碳網(wǎng)格提供的改進和可調(diào)節(jié)的沖擊吸收中受益的示例應用

Riddell橄欖球頭盔。Carbon定制設計的高阻尼彈性體，采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式制作頭盔襯墊。 Carbon的網(wǎng)格引擎利用物理模擬和優(yōu)化技術(shù)來調(diào)整結(jié)構(gòu)，管理線性和旋轉(zhuǎn)沖擊能量。每個頭盔由超過140,000個單獨的支柱組成，精心編排成圖案，以減輕沖擊力，同時提供出色的舒適性和貼合性。

性能
Carbon的網(wǎng)格創(chuàng)新另一個關鍵領域是性能。泡沫符合性能規(guī)格的能力使其非常適合運動應用，例如足球防護墊和鞋中底，有助于緩沖和能量回復。運動鞋中底最常用的泡沫是稱為EVA（乙烯醋酸乙烯酯）的閉孔泡沫。歷史上，單個EVA泡沫結(jié)構(gòu)已被用于制造整個中底。
使用Carbon的技術(shù)，工程師可以首次在同一整體部件中3D制造多個獨特的功能區(qū)，并分別調(diào)整每個功能區(qū)內(nèi)的機械性能。

在與Carbon合作之前，adidas一直在尋找一個平臺，使公司能夠調(diào)整整個鞋子的緩沖性能，并最終大規(guī)模生產(chǎn)定制的運動鞋系列。憑借數(shù)十年的經(jīng)驗和來自中底設計的數(shù)據(jù)，adidas渴望創(chuàng)造一種能夠讓他們擺脫傳統(tǒng)鞋類制造限制的東西。

隨著Futurecraft 4D的推出，Carbon和adidas將鞋類的功能性提升到了一個新的水平。鞋子在鞋底夾層內(nèi)提供精確調(diào)整的功能區(qū)域。中底在后跟和前腳具有不同的格子結(jié)構(gòu)，以解決跑步時腳的這些部分的不同緩沖需求。 Carbon的技術(shù)在單個高性能單片中底中解決了adidas復雜的性能設計要求。

結(jié)論
通過Carbon，以前受泡沫特性限制的產(chǎn)品開發(fā)團隊現(xiàn)在可以獲得新材料，設計自由度和制造能力，使他們能夠重新考慮舒適性，安全性和性能。 自行車座椅，鞋中底，汽車安全座椅，頭盔，矯形墊和耳機等應用是產(chǎn)品開發(fā)團隊的起點。 Carbon在各種樹脂材料上印刷可調(diào)節(jié)網(wǎng)格的能力為產(chǎn)品開發(fā)團隊提供了重要機會，幫助他們改善最終用戶體驗。