LLNL onderzoekers ontwikkelen stijver en lichter type lattice structuur

Onderzoekers van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben een nieuw soort 3D geprinte lattice structuur ontwikkeld, die lichtgewicht combineert met een hogere stijfheid. Een van deze structuren reageert in alle richtingen uniform op krachten.

 

Lattice structuren (raster structuren) vormen een van de unieke mogelijkheden van 3D printen. Hiermee kan men gewicht besparen, materiaal en dus printtijd en vooral de sterkte van 3D geprinte onderdelen positief beïnvloeden. Bijzonder aan de ontdekking van de Amerikaanse onderzoekers is dat ze de zogenaamde Maxwell criteria over een lattice structuur weerleggen.

Lineaire schaalbaarheid

Deze wetmatigheid zegt dat een lattice structuur die belast worden enkel vervormt door uit te rekken. In zo’n structuur is de stijfheid lineair evenredig aan de dichtheid. Als het gewicht van de structuur gehalveerd wordt, halveert ook de stijfheid. Daarmee zijn deze structuren nog steeds efficiënter dan andere, waarvan de stijfheid met bijvoorbeeld driekwart afneemt als je het gewicht halveert. De aan het LLNL ontwikkelde structuren gedragen zich echter anders dan wat je op basis van deze Maxwell regel zou verwachten.

Betere eigenschappen

“We hebben twee spanten gevonden waarvan de stijfheid lineair correleert met de dichtheid zonder dat ze voldoen aan het Maxwell-criteriumregel,” legt co-auteur Seth Watts uit. “Men geloofde dat het Maxwell-criterium zowel noodzakelijk als voldoende was om aan te tonen dat je een hoge stijfheid had bij een lage dichtheid. We hebben aangetoond dat het geen noodzakelijke voorwaarde is. Er zijn uitzonderingen, en de uitzonderingen kunnen je echt betere eigenschappen geven.”

Isotrope lattice structuren

Volgens de onderzoekers kun je hun isotrope rasters willekeurig plaatsen, zelfs als je de belasting niet kent. Hiermee kunnen engineers stijvere structuren bouwen dan bijvoorbeeld het octet ontwerp, dat slechts in bepaalde richtingen ultra stijf is.  “Dankzij de isotrope spanten kun je de belastingrichting in een use-case scenario negeren”, zegt mede-auteur Chris Spadaccini, directeur van LLNL’s Center for Engineered Materials and Manufacturing. “Je hoeft je bijvoorbeeld geen zorgen meer te maken over de richting van waaruit belastingen komen. Dit werk toont aan dat er een nieuwe methode is die je betere prestaties kan leveren.” De onderzoekers zeggen ook dat topologie optimalisatie tot nieuwe structuren leidt die veel beter presteren dan de bestaande.

Stijve en nog lichtere structuren

Wen Chen, een van de andere onderzoekers, heeft de lattice structuren getest door ze in verschillende dichtheden te printen. Daarna heeft hij ze vanuit verschillende hoeken onder druk gezet, om de isotrope eigenschappen te valideren. Chen zegt verrast te zijn door de resultaten. Er ontstaan heel nieuwe mogelijkheden, met name voor omgevingen waar je complexe spanningssituaties hebt. Bij het LLNL denkt men dat de isotrope spanten doorontwikkeld kunnen worden voor 3D metaal- en keramiekprinten. Hiermee kan men stijve en tegelijkertijd ultra lichte structuren printen, bijvoorbeeld voor weefsel printen of voor luchtvaarttoepassingen.

Optimalisatie 3D printen

Het onderzoek maakt deel uit van een breder programma bij het LLNL om 3D geprinte onderdelen te optimaliseren met een andere design aanpak. De nieuwe designs worden net zoals de algoritmes die gebruikt zijn om ze te ontwikkelen  geïntegreerd in de Livermore Design Optimization (LIDIO) code. Hierdoor komt de kennis direct beschikbaar voor onderzoekers van andere afdelingen van het instituut.