Análise de estruturas treliçadas fabricadas por manufatura aditiva

Pesquisadores da Universidade de Limerick, Irlanda, realizaram um estudo para estabelecer o status atual e as oportunidades para a fabricação de estruturas treliças de metal. Dada a prevalência da Manufatura Aditiva e sua flexibilidade na produção de estruturas complexas, a fabricação de estruturas treliçadas por meio do processo aditivo ganhou considerável atenção nos últimos anos e pode oferecer ganhos de desempenho em um número crescente de aplicações.

Designers e pesquisadores exploraram, e ainda estão explorando, diferentes estratégias para otimizar as propriedades mecânicas dessas estruturas. Em um artigo intitulado ‘Compressive Behavior of Additively Manufactured Lattice Structures: A Review‘, publicado na revista Aerospace, o candidato a PhD em Engenharia Aeronáutica, Solomon O Obadimu e o professor sênior Dr. Kyriakos I Kourousis, ambos na Escola de Engenharia da Universidade, analisaram metálicos e literatura relacionada à estrutura de rede não metálica, com foco nas propriedades compressivas e desempenho.

Estrutura Treliçada
Fonte: Aerospace 2021, 8(8), 207; https://doi.org/10.3390/aerospace8080207

Estruturas reticuladas são compostas por células unitárias repetidas conectadas por uma série de suportes e nós em um espaço tridimensional. Além de sua alta absorção de energia de impacto, eles oferecem uma melhor relação resistência/peso, explicam os autores. Consequentemente, a pesquisa e o desenvolvimento contínuos em reticulados por Manufatura Aditiva (MA) requerem a compreensão de sua mecânica de compressão, dando aos projetistas e pesquisadores de MA informações suficientes para tomar decisões informadas ao projetar estruturas reticuladas para MA, garantindo que a segurança não seja comprometida.

Estrutura treliçada
Fonte: Aerospace 2021, 8(8), 207; https://doi.org/10.3390/aerospace8080207

Os autores fizeram perguntas como:

  • Quais fatores influenciam o desempenho mecânico dessas estruturas?
  • Qual é o estado atual da fabricação da rede MA?
  • Ainda há oportunidades na fabricação da rede metálica?

O estudo fornece um resumo do progresso até o momento em estruturas reticuladas por MA, com foco em seu desempenho de compressão.

Insights importantes

Suas descobertas revelaram os seguintes insights importantes:

  • O modelo de estrutura de rede mais comumente utilizado é a estrutura cúbica centrada no corpo (BCC);
  • Em termos de técnicas de otimização, para redes metálicas, o foco é apenas no aprimoramento das características de projeto. Por exemplo, adicionar membros verticais, como o modelo de rede BCCZ e aumentar os raios dos cantos de uma escora de rede, como o modelo de rede GBCC. Por outro lado, para técnicas de otimização não metálicas, o foco está na melhoria dos parâmetros do processo, como altura da camada e ângulo de impressão;
  • Superfície mínima triplamente periódica (TPMS) e otimização de topologia (TOP) são os métodos de otimização de rede mais utilizados para estruturas metálicas. O primeiro é baseado em algoritmos matemáticos, enquanto o último é baseado em julgamento de engenharia;
  • A morfologia da rede, incluindo o tamanho e a forma da célula, governa significativamente o comportamento compressivo, bem como a capacidade de absorção de energia das redes. Consequentemente, mesmo pequenas mudanças na morfologia podem influenciar o comportamento geral da estrutura.

Desafios para estruturas treliçadas por manufatura aditiva

Em termos de desafios, a literatura revelou o seguinte:

  • Os esforços de pesquisa são voltados apenas para a fusão de leito de pó (PBF) para a fabricação de rede metálica e extrusão de material (MEX) para a fabricação de redes poliméricas
  • A repetibilidade do processo por MA e a redução das irregularidades induzidas pela fabricação permanecem um desafio;
  • Embora as simulações de elementos finitos tenham sido relatadas como estando em bom acordo com os resultados experimentais, os pesquisadores de MA, no entanto, alertam que tanto o primeiro quanto o último podem subestimar o desempenho mecânico real em serviço das redes;
  • Em relação aos métodos MA mais comumente utilizados para a fabricação de retículos, com base na literatura revisada, os métodos de MA de fusão e extrusão de material estão no topo da lista, o primeiro com 51,92% e o último com 36,54%. Além disso, Material Jetting (MJ), Binder Jetting (BJT) e Fotopolimerização de Cuba (VPP) representaram 5,77%, 3,85% e 1,92%, respectivamente.

Em conclusão, os autores afirmaram que os desafios destacados acima apresentam uma oportunidade para continuar a conduzir pesquisas relacionadas com AM, especialmente explorando a fabricação de estruturas metálicas treliçadas por meio de processos MEX, bem como explorando estratégias de otimização com base no corpo de conhecimento do metal PBF fabricação.

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Marcus Figueiredo

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