Carbon®白皮書：網(wǎng)格創(chuàng)新，3D打印實(shí)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(xué)。隨后，泡沫逐漸應(yīng)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(shè)計(jì)的彈性體網(wǎng)格創(chuàng)新推動(dòng)彈性材料發(fā)展。Carbon的精細(xì)調(diào)整的網(wǎng)格將從根本上增強(qiáng)現(xiàn)有泡沫應(yīng)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(xué)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(duì)于許多應(yīng)用，例如座椅和耳機(jī)，泡沫可根據(jù)成分，位置和厚度等因素實(shí)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(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法仍然具有相同的顯著限制，即應(yīng)用于泡沫的壓縮力線性增加，導(dǎo)致嚴(yán)重的設(shè)計(jì)限制。

泡沫的負(fù)載和壓縮之間的線性關(guān)系

通過開發(fā)出閉孔彈性體泡沫，可實(shí)現(xiàn)一定非線性的負(fù)載。這種方法使產(chǎn)品可以在一定程度上進(jìn)行更好的設(shè)計(jì)。但是這需要付出相當(dāng)大的成本，同時(shí)影響產(chǎn)品的透氣性。

閉孔彈性體泡沫的示意性壓縮應(yīng)力 - 應(yīng)變響應(yīng)

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(shè)計(jì)人員利用軟件工具來優(yōu)化其設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)所需的機(jī)械響應(yīng)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(shè)計(jì)和生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和建筑材料的新領(lǐng)域。這極大地?cái)U(kuò)展了許多行業(yè)中常用的聚合物和泡沫基部件的可行設(shè)計(jì)空間，包括航空航天，汽車，電子，包裝，建筑和時(shí)尚。為了充分探索這個(gè)擴(kuò)展的空間，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師需要分析，預(yù)測(cè)和優(yōu)化具有復(fù)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(jì)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(cè)試 - 調(diào)諧的繁瑣過程，因此大大減少了產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間和成本。

計(jì)算力學(xué)
Carbon的軟件團(tuán)隊(duì)開發(fā)了非線性有限元（FE）代碼，用于建模和預(yù)測(cè)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和材料的力學(xué)行為。該代碼能夠?qū)��?fù)雜的幾何和材料非線性進(jìn)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(xué)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(dòng)和公差等性能，同時(shí)考慮附加的功能，幾何和性能限制。起初我們對(duì)機(jī)械響應(yīng)進(jìn)行建模并評(píng)估其對(duì)設(shè)計(jì)屬性的敏感性。在迭代過程中，我們逐漸改變?cè)O(shè)計(jì)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(jī)械特性的網(wǎng)格庫，可用于選擇合理的初始設(shè)計(jì)，最大限度地降低計(jì)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(gè)部件中組合多個(gè)網(wǎng)格圖案，以實(shí)現(xiàn)例如單個(gè)部件的可變響應(yīng)。并非傳統(tǒng)的試錯(cuò)過程，Carbon的簡化方法只需要提供所需的零件機(jī)械響應(yīng)和其他設(shè)計(jì)約束，如重量和尺寸。使用Carbon經(jīng)過驗(yàn)證的超材料庫，軟件工具輸出滿足零件機(jī)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(jī)械性能，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能區(qū)。

憑借Carbon的技術(shù)能力，網(wǎng)格可以在多種應(yīng)用中成功取代泡沫，包括鞋中底，頭盔內(nèi)襯，耳機(jī)，座椅，耳機(jī)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(yīng)用，例如頭盔和汽車座椅，因?yàn)樗�可以吸收沖擊能量并保護(hù)人類。而利用Carbon網(wǎng)格系統(tǒng)，產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)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(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)上，安全產(chǎn)品需要昂貴的多個(gè)泡沫部件的組裝，以在單個(gè)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(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以3D制造由同一材料生產(chǎn)的單個(gè)整體部件，其設(shè)計(jì)可提供多個(gè)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(gè)泡沫界面，傳統(tǒng)上是零件故障的一個(gè)部位。此外，設(shè)計(jì)師可以針對(duì)運(yùn)動(dòng)設(shè)備（如頭盔和護(hù)墊）中的高沖擊應(yīng)用，根據(jù)個(gè)人運(yùn)動(dòng)員生理數(shù)據(jù)定制網(wǎng)格。

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

Riddell橄欖球頭盔。Carbon定制設(shè)計(jì)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(gè)頭盔由超過140,000個(gè)單獨(dú)的支柱組成，精心編排成圖案，以減輕沖擊力，同時(shí)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(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域是性能。泡沫符合性能規(guī)格的能力使其非常適合運(yùn)動(dòng)應(yīng)用，例如足球防護(hù)墊和鞋中底，有助于緩沖和能量回復(fù)。運(yùn)動(dòng)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(gè)EVA泡沫結(jié)構(gòu)已被用于制造整個(gè)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(gè)獨(dú)特的功能區(qū)，并分別調(diào)整每個(gè)功能區(qū)內(nèi)的機(jī)械性能。

在與Carbon合作之前，adidas一直在尋找一個(gè)平臺(tái)，使公司能夠調(diào)整整個(gè)鞋子的緩沖性能，并最終大規(guī)模生產(chǎn)定制的運(yùn)動(dòng)鞋系列。憑借數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)和來自中底設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)腳的這些部分的不同緩沖需求。 Carbon的技術(shù)在單個(gè)高性能單片中底中解決了adidas復(fù)雜的性能設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)現(xiàn)在可以獲得新材料，設(shè)計(jì)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(jī)等應(yīng)用是產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)的起點(diǎn)。 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(tuán)隊(duì)提供了重要機(jī)會(huì)，幫助他們改善最終用戶體驗(yàn)。