Carbon®白皮書：網格創(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格創(chuàng)新推動彈性材料發(fā)展,。Carbon的精細調整的網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
人體工程學研究人員一直在尋找一種結構化的方法來量化舒適度,。泡沫是最通用和最廣泛的產品之一。對于許多應用,，例如座椅和耳機,，泡沫可根據成分，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的網格創(chuàng)新
Carbon的技術在3D制造方面前所未有,，可以生產具有功能性彈性材料的網格，從而開辟了廣泛的可能性,。使用網格的產品設計人員利用軟件工具來優(yōu)化其設計中的理想網格參數,，例如網格類型，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的技術開辟了設計和生產具有復雜幾何形狀的網格結構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構的行為。 Carbon的網格軟件旨在通過計算建模和分析來滿足這一需求,。該軟件包模擬了數字化制造 - 測試 - 調諧的繁瑣過程,，因此大大減少了產品開發(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,，用于建模和預測網格結構和材料的力學行為,。該代碼能夠對復雜的幾何和材料非線性進行網格劃分和分析。有限元分析基于非線性光束,，2D和3D連續(xù)體力學模型,，能夠捕獲結構內的后屈曲，折斷和接觸,。這種用于網格結構和結構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,，即幾何參數，例如網格尺寸和網格的形狀,，以微調其屬性,。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,。我們還使用模擬技術開發(fā)了具有不同機械特性的網格庫,，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格結構,，并檢查可制造性,。此外，該工具允許在同一部件內分配不同的機械性能,，從而實現(xiàn)多個功能區(qū),。

憑借Carbon的技術能力，網格可以在多種應用中成功取代泡沫,，包括鞋中底,，頭盔內襯，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網格系統(tǒng),，產品開發(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，安全產品需要昂貴的多個泡沫部件的組裝,，以在單個產品內產生不同的功能性能區(qū)域,。使用Carbon的可調諧網格解決方案，設計人員現(xiàn)在可以3D制造由同一材料生產的單個整體部件,，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,，根據個人運動員生理數據定制網格,。

可以從碳網格提供的改進和可調節(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，采用網格結構形式制作頭盔襯墊,。 Carbon的網格引擎利用物理模擬和優(yōu)化技術來調整結構,，管理線性和旋轉沖擊能量。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泡沫結構已被用于制造整個中底,。
使用Carbon的技術，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),，并分別調整每個功能區(qū)內的機械性能,。

在與Carbon合作之前，adidas一直在尋找一個平臺,，使公司能夠調整整個鞋子的緩沖性能,，并最終大規(guī)模生產定制的運動鞋系列。憑借數十年的經驗和來自中底設計的數據,，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,。鞋子在鞋底夾層內提供精確調整的功能區(qū)域,。中底在后跟和前腳具有不同的格子結構，以解決跑步時腳的這些部分的不同緩沖需求,。 Carbon的技術在單個高性能單片中底中解決了adidas復雜的性能設計要求,。

結論
通過Carbon，以前受泡沫特性限制的產品開發(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品開發(fā)團隊的起點,。 Carbon在各種樹脂材料上印刷可調節(jié)網格的能力為產品開發(fā)團隊提供了重要機會，幫助他們改善最終用戶體驗,。