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(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(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(yīng)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(shè)計和實驗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，導致嚴重的設(shè)計限制,。

泡沫的負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(shè)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(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)計人員利用軟件工具來優(yōu)化其設(shè)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(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(lǐng)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(shè)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(shè)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(yīng)進行建模并評估其對設(shè)計屬性的敏感性,。在迭代過程中，我們逐漸改變設(shè)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(shè)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(yīng)。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(yīng)和其他設(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計師可以針對運動設(shè)備（如頭盔和護墊）中的高沖擊應(yīng)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(yīng)用

Riddell橄欖球頭盔,。Carbon定制設(shè)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(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動應(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)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,。