Carbon®白皮书：网格创新，3D打印实现零件的可制造性

来源：Carbon

大约80年前，Otto Bayer博士发现了聚氨酯泡沫化学。随后，泡沫逐渐应用在汽车，包装，建筑，电子，床上用品和家具等行业。今天Carbon利用可编程树脂和软件设计的弹性体网格创新推动弹性材料发展。Carbon的精细调整的网格将从根本上增强现有泡沫应用的舒适性，性能和安全性。

传统的泡沫技术
人体工程学研究人员一直在寻找一种结构化的方法来量化舒适度。泡沫是最通用和最广泛的产品之一。对于许多应用，例如座椅和耳机，泡沫可根据成分，位置和厚度等因素实现各种性能特征。尽管这种材料被广泛采用，但所有传统的泡沫设计和实验方法仍然具有相同的显着限制，即应用于泡沫的压缩力线性增加，导致严重的设计限制。

泡沫的负载和压缩之间的线性关系

通过开发出闭孔弹性体泡沫，可实现一定非线性的负载。这种方法使产品可以在一定程度上进行更好的设计。但是这需要付出相当大的成本，同时影响产品的透气性。

闭孔弹性体泡沫的示意性压缩应力 - 应变响应

Carbon的网格创新
Carbon的技术在3D制造方面前所未有，可以生产具有功能性弹性材料的网格，从而开辟了广泛的可能性。使用网格的产品设计人员利用软件工具来优化其设计中的理想网格参数，例如网格类型，形状和支柱尺寸，以实现所需的机械响应和零件的可制造性。

通过解决过去的制造限制，Carbon的技术开辟了设计和生产具有复杂几何形状的网格结构和建筑材料的新领域。这极大地扩展了许多行业中常用的聚合物和泡沫基部件的可行设计空间，包括航空航天，汽车，电子，包装，建筑和时尚。为了充分探索这个扩展的空间，产品设计师需要分析，预测和优化具有复杂几何形状和材料非线性的结构的行为。 Carbon的网格软件旨在通过计算建模和分析来满足这一需求。该软件包模拟了数字化制造 - 测试 - 调谐的繁琐过程，因此大大减少了产品开发的时间和成本。

计算力学
Carbon的软件团队开发了非线性有限元（FE）代码，用于建模和预测网格结构和材料的力学行为。该代码能够对复杂的几何和材料非线性进行网格划分和分析。有限元分析基于非线性光束，2D和3D连续体力学模型，能够捕获结构内的后屈曲，折断和接触。这种用于网格结构和结构化材料的工艺通常包括弹性，屈服条件，硬度，冲击，振动和公差等性能，同时考虑附加的功能，几何和性能限制。起初我们对机械响应进行建模并评估其对设计属性的敏感性。在迭代过程中，我们逐渐改变设计参数，即几何参数，例如网格尺寸和网格的形状，以微调其属性。如果需要与黄金属性精确匹配，则在此过程中使用基于梯度的优化技术。我们还使用模拟技术开发了具有不同机械特性的网格库，可用于选择合理的初始设计，最大限度地降低计算成本。

以下屏幕截图显示了非线性帧模拟：

Carbon还致力于在一个部件中组合多个网格图案，以实现例如单个部件的可变响应。并非传统的试错过程，Carbon的简化方法只需要提供所需的零件机械响应和其他设计约束，如重量和尺寸。使用Carbon经过验证的超材料库，软件工具输出满足零件机械加载要求的网格结构，并检查可制造性。此外，该工具允许在同一部件内分配不同的机械性能，从而实现多个功能区。

凭借Carbon的技术能力，网格可以在多种应用中成功取代泡沫，包括鞋中底，头盔内衬，耳机，座椅，耳机和矫形垫，以下仅简单举例。

安全
膨胀聚苯乙烯（EPS）泡沫用于安全应用，例如头盔和汽车座椅，因为它可以吸收冲击能量并保护人类。而利用Carbon网格系统，产品开发团队不仅可以创建单片零件，还可以创建可以吸收冲击能量的设计。

传统上，安全产品需要昂贵的多个泡沫部件的组装，以在单个产品内产生不同的功能性能区域。使用Carbon的可调谐网格解决方案，设计人员现在可以3D制造由同一材料生产的单个整体部件，其设计可提供多个功能性能区域。这种方法使产品具有更高的安全性能，并消除了多个泡沫界面，传统上是零件故障的一个部位。此外，设计师可以针对运动设备（如头盔和护垫）中的高冲击应用，根据个人运动员生理数据定制网格。

可以从碳网格提供的改进和可调节的冲击吸收中受益的示例应用

Riddell橄榄球头盔。Carbon定制设计的高阻尼弹性体，采用网格结构形式制作头盔衬垫。 Carbon的网格引擎利用物理模拟和优化技术来调整结构，管理线性和旋转冲击能量。每个头盔由超过140,000个单独的支柱组成，精心编排成图案，以减轻冲击力，同时提供出色的舒适性和贴合性。

性能
Carbon的网格创新另一个关键领域是性能。泡沫符合性能规格的能力使其非常适合运动应用，例如足球防护垫和鞋中底，有助于缓冲和能量回复。运动鞋中底最常用的泡沫是称为EVA（乙烯醋酸乙烯酯）的闭孔泡沫。历史上，单个EVA泡沫结构已被用于制造整个中底。
使用Carbon的技术，工程师可以首次在同一整体部件中3D制造多个独特的功能区，并分别调整每个功能区内的机械性能。

在与Carbon合作之前，adidas一直在寻找一个平台，使公司能够调整整个鞋子的缓冲性能，并最终大规模生产定制的运动鞋系列。凭借数十年的经验和来自中底设计的数据，adidas渴望创造一种能够让他们摆脱传统鞋类制造限制的东西。

随着Futurecraft 4D的推出，Carbon和adidas将鞋类的功能性提升到了一个新的水平。鞋子在鞋底夹层内提供精确调整的功能区域。中底在后跟和前脚具有不同的格子结构，以解决跑步时脚的这些部分的不同缓冲需求。 Carbon的技术在单个高性能单片中底中解决了adidas复杂的性能设计要求。

结论
通过Carbon，以前受泡沫特性限制的产品开发团队现在可以获得新材料，设计自由度和制造能力，使他们能够重新考虑舒适性，安全性和性能。 自行车座椅，鞋中底，汽车安全座椅，头盔，矫形垫和耳机等应用是产品开发团队的起点。 Carbon在各种树脂材料上印刷可调节网格的能力为产品开发团队提供了重要机会，帮助他们改善最终用户体验。