As estruturas Lattice impressas em 3D são um dos maiores atrativos da manufatura aditiva. Elas são fáceis de fabricar utilizando o processo exclusivo de impressão 3D e oferecem muitos benefícios práticos.

As estruturas Lattice são, essencialmente, padrões de preenchimento — formas de estruturar a geometria interna de uma peça impressa em 3D. Em vez de imprimir um bloco sólido de plástico ou metal, os engenheiros podem usar padrões sobrepostos e interligados que são parcialmente ocos. Quando essas estruturas são projetadas adequadamente, elas podem melhorar significativamente as propriedades mecânicas de uma peça, tornando-a mais leve e mais resistente.

Em português, não existe uma tradução exata para o termo “lattice”. As opções mais próximas são “malha” e “treliça”. “Malha” é mais usada para descrever redes interconectadas, enquanto “treliça” lembra estruturas de suporte. Apesar de funcionarem bem, essas palavras podem não captar todas as nuances do conceito em aplicações industriais.

É importante destacar que essas estruturas podem ser fabricadas em qualquer impressora 3D de nível profissional. E, ainda mais importante, essas estruturas não podem ser produzidas adequadamente usando qualquer outra tecnologia de manufatura. As tecnologias subtrativas não conseguem cortar o interior de uma peça sem cortar o exterior, enquanto moldes simplesmente se “preenchem” com material líquido — você não pode controlar como o material é depositado em seu lugar como pode com uma impressora 3D.

Este artigo examina como as estruturas Lattice impressas em 3D são feitas e por que elas estão se tornando tão úteis em indústrias como a aeroespacial.

Como se faz uma estrutura Lattice impressa em 3D?

Estruturas de Lattice podem ser vistas em muitos lugares, como pontes e casas de madeira. A Torre Eiffel é talvez o exemplo mais famoso do mundo de uma estrutura de Lattice, com suas vigas sobrepostas formando uma estrutura estável, mas amplamente oca.

É possível replicar uma estrutura semelhante em uma peça impressa em 3D. E, geralmente, não é necessário projetar manualmente o quadro da estrutura: existem várias ferramentas de geração de Lattice que criam automaticamente os padrões com base em parâmetros escolhidos pelo usuário. Ferramentas comercialmente disponíveis incluem Topology, Autodesk Within, Meshify, e mesmo Solidworks (com o módulo 3DXpert).

No entanto, nem todas as estruturas Lattice são iguais. De fato, essas estruturas variam de de muitas formas, com as principais variações descritas a seguir.

Estrutura celular

As células são as unidades individuais que compõem uma Lattice. Elas geralmente são reconhecíveis como formas geométricas, como cubos, estrelas, hexágonos, octógonos, etc., embora múltiplas formas possam ser combinadas para usos mecânicos específicos. Às vezes, as células são totalmente não uniformes, sem um padrão discernível.

No final das contas, a estrutura celular — tanto sua forma quanto seu tamanho — afeta como uma peça se comportará em termos de resistência, peso, elasticidade e outros fatores.

Orientação das células

Decidir a estrutura e o tamanho das células é apenas parte da equação. As formas dentro de uma estrutura Lattice podem ser orientadas de diferentes maneiras, o que também afeta o desempenho final da peça. A orientação também deve ser determinada pelas restrições da impressão: certas orientações exigirão mais estruturas de suporte, por exemplo.

Material da Lattice

Nem todos os materiais são capazes de imprimir todas as estruturas Lattice. Materiais macios e elásticos geralmente não devem ser impressos com estruturas celulares grandes, pois as seções porosas podem fazer com que a peça ceda. Na maioria dos casos, o material da treliça será o mesmo que o da casca ou material externo, mas impressoras com múltiplos extrusores oferecem alguma flexibilidade nesse aspecto.

Quais são os benefícios de uma estrutura Lattice impressa em 3D?

Ao incorporar essas estruturas em peças impressas em 3D, os engenheiros podem obter benefícios como a redução de peso, maior resistência da peça e absorção de impacto.

A redução de peso é talvez o mais importante desses benefícios e a principal razão pela qual os engenheiros estão tão empenhados em otimizar suas estruturas impressas com geometrias internas padronizadas. Uma característica chave das estruturas Lattice é sua parcial ociosidade: as células contêm espaços vazios, então uma peça com um padrão de Lattice interna usa menos material no geral do que uma peça equivalente com preenchimento sólido.

Menos material significa menos massa, o que é uma grande vantagem para usuários de manufatura aditiva em indústrias como automotiva e aeroespacial, onde a redução de alguns gramas pode fazer uma enorme diferença no desempenho da peça. De fato, algumas das pesquisas mais empolgantes sobre estruturas Lattice estão ocorrendo na indústria aeroespacial, onde empresas como a Boeing desenvolveram materiais avançados superleves.

Menos material também significa menos gastos. Ao criar peças com estruturas Lattice, os engenheiros podem produzir peças superiores que custam menos do que as inferiores.

No entanto, o ponto principal das estruturas Lattice é reduzir a massa sem comprometer a integridade da peça. Embora fazer buracos arbitrários em uma peça possa torná-la mais frágil e propensa a quebrar, essas estruturas internas impressas em 3D são projetadas para usar o material da maneira estruturalmente mais eficaz possível, garantindo que as seções ocas não sejam vulnerabilidades, mas sim pontos de força.

Peças parcialmente ocas com estruturas de treliça podem ser, na verdade, mais resistentes do que suas equivalentes sólidas, pois os espaços vazios em uma treliça ajudam a melhorar a absorção de impactos e a reduzir o estresse de impacto. Peças com estruturas de treliça de células grandes podem ser altamente flexíveis e elásticas, reduzindo a fragilidade e a possibilidade de quebra.

Menos importante, mas ainda notável, é a estética das treliças. Esses padrões complexos são algumas das formas mais impressionantes que os engenheiros podem criar com uma impressora 3D, portanto, peças com treliças impressas geralmente são tão visualmente atraentes quanto práticas.

Resumo dos benefícios das estruturas Lattice impressas em 3D:

• Leveza
• Menor uso de material
• Resistência
• Absorção de impacto
• Estética

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As máquinas CNC podem fazer estruturas Lattice?

Em resumo, não. Máquinas CNC e outras tecnologias de manufatura subtrativa não conseguem fazer estruturas Lattice 3D, pois utilizam ferramentas de corte para remover material de um bloco sólido. Uma máquina CNC poderia cortar as seções ocas da primeira fileira de células de treliça, mas a ferramenta de corte atingiria um ponto sem saída. Ela não pode cortar a próxima fileira de seções ocas porque as seções sólidas estão no caminho.

Uma impressora 3D não enfrenta esse problema porque fabrica as peças em fatias ou seções transversais, construindo-as a partir do nada, em vez de cortá-las de um bloco sólido. Portanto, a manufatura aditiva é de longe a melhor tecnologia para criar estruturas de treliça.

Vale notar, no entanto, que máquinas CNC podem criar efetivamente estruturas 2D, como grades, e essas estruturas CNC específicas podem, de fato, ser mais fortes do que as estruturas Lattice impressas em 3D.

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Quais são as aplicações práticas das estruturas de Lattice impressas em 3D?

As estruturas Lattice impressas em 3D já têm aplicações em muitas indústrias, pois engenheiros e designers de produtos em diversos setores comerciais estão constantemente buscando formas de reduzir o peso e aumentar a resistência das peças.

A redução de peso é especialmente importante nas indústrias aeroespacial e automotiva, uma vez que peças pesadas geralmente reduzem a velocidade do veículo e aumentam o consumo de combustível. Portanto, peças leves são muito mais desejáveis.

Dado que estruturas internas existem na arquitetura há centenas de anos, não é surpresa que versões miniaturizadas de Lattice também estejam se tornando populares no cenário arquitetônico atual. E, podem ser precisamente projetadas, pesquisadores descobriram até maneiras de criar padrões 3D que reduzem o ruído, potencialmente melhorando os materiais de isolamento para edifícios.

As estruturas impressas em 3D também são encontradas em roupas e calçados, com empresas como Adidas usando Lattice elastoméricas impressas em 3D para entressolas de tênis. Essas estruturas proporcionam uma almofada leve com grande elasticidade — muito melhor e mais cientificamente justificável do que as “bolhas de ar” tão comuns nos anos 1990.

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