Wie 3D-gedruckte Gitterstrukturen Teile verbessern können

3D-gedruckte Gitterstrukturen sind eines der größten Verkaufsargumente der additiven Fertigung. Sie sind mit dem einzigartigen 3D-Druckverfahren einfach herzustellen und bieten viele praktische Vorteile.

Gitterstrukturen sind im Wesentlichen Füllmuster – Möglichkeiten zur Strukturierung der Innengeometrie eines 3D-gedruckten Teils. Anstatt einen massiven Kunststoff- oder Metallblock in 3D zu drucken, können Ingenieure überlappende, ineinandergreifende Muster verwenden, die teilweise hohl sind. Wenn diese Gitter richtig konstruiert sind, können sie die mechanischen Eigenschaften eines Teils erheblich verbessern und es leichter und stärker machen.

Wichtig ist, dass Gitterstrukturen auf jedem professionellen 3D-Drucker hergestellt werden können. Und was noch wichtiger ist, diese Strukturen können mit keiner anderen Fertigungstechnologie angemessen hergestellt werden. Subtraktive Technologien können nicht die Innenseite eines Teils schneiden, ohne die Außenseite zu durchschneiden, während Formen einfach mit flüssigem Material „aufgefüllt“ werden – Sie können nicht auswählen, wie dieses flüssige Material an seinen Platz kommt, wie Sie es mit einem 3D-Drucker können.

Dieser Artikel untersucht, wie 3D-gedruckte Gitterstrukturen hergestellt werden und warum sie in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrtindustrie so nützlich werden.

Wie erstellt man ein 3D-gedrucktes Gitter?

Gitterstrukturen sind überall an Orten wie Brücken und Holzhäusern zu sehen. Der Eiffelturm ist vielleicht das weltweit berühmteste Beispiel für eine Gitter- oder Fachwerkkonstruktion, deren sich überlappende Balken eine stabile, aber weitgehend hohle Struktur bilden.

Es ist möglich, eine solche Struktur in einem 3D-gedruckten Teil nachzubilden. Und es ist im Allgemeinen nicht notwendig, das Gittergerüst manuell zu entwerfen:Es gibt mehrere Werkzeuge zur Gittergenerierung, die automatisch Gittermuster basierend auf vom Benutzer gewählten Parametern erzeugen. Zu den im Handel erhältlichen Tools gehören Topology, Autodesk Within und Meshify.

Aber nicht alle Gitter sind gleich. Tatsächlich variieren Gitterstrukturen in vielerlei Hinsicht, wobei die wichtigsten Variationen unten beschrieben werden.

Zellstruktur

Zellen sind die einzelnen Einheiten, die eine Gitterstruktur bilden. Diese sind normalerweise als geometrische Formen wie Würfel, Sterne, Sechsecke, Achtecke usw. erkennbar, obwohl mehrere Formen für bestimmte mechanische Anwendungen kombiniert werden können. Manchmal sind die Zellen völlig uneinheitlich, ohne erkennbares Muster.

Letztendlich beeinflusst die Zellstruktur – sowohl ihre Form als auch ihre Größe – das Verhalten eines Teils in Bezug auf Festigkeit, Gewicht, Elastizität und andere Faktoren.

Zellorientierung

Die Entscheidung über die Struktur und Größe der Zelle ist nur die halbe Miete. Die Formen innerhalb eines Gitters können unterschiedlich ausgerichtet sein, was sich auch auf die endgültige Leistung des Teils auswirkt. Die Ausrichtung sollte auch durch Druckbeschränkungen bestimmt werden:Bestimmte Ausrichtungen erfordern zum Beispiel mehr Stützstrukturen.

Gittermaterial

Nicht alle Materialien sind in der Lage, alle Gitterstrukturen zu drucken. Weiche und elastische Materialien sollten generell nicht mit großen Zellstrukturen gedruckt werden, da die großen porösen Bereiche das Teil durchhängen lassen können. In den meisten Fällen ist das Gittermaterial das gleiche wie die Hülle oder das Außenmaterial, aber Multi-Extruder-Drucker bieten diesbezüglich eine gewisse Flexibilität.

Was sind die Vorteile eines 3D-gedruckten Gitters?

Durch die Integration von Gitterstrukturen in 3D-gedruckte Teile können Ingenieure Vorteile wie Gewichtsreduzierung, verbesserte Teilefestigkeit und Stoßdämpfung erzielen.

Die Gewichtsreduzierung ist vielleicht der wichtigste dieser Vorteile und der Hauptgrund, warum Ingenieure so sehr daran interessiert sind, ihre gedruckten Strukturen mit gemusterten Innengeometrien zu optimieren. Ein Hauptmerkmal von Gitterstrukturen ist ihre partielle Hohlheit:Zellen enthalten Leerraum, sodass abgesehen von einem internen Gittermuster weniger Gesamtmaterial vorhanden ist als ein gleichwertiger Teil mit fester Füllung.

Weniger Gesamtmaterial bedeutet weniger Masse, was ein großer Vorteil für AM-Anwender in Branchen wie der Automobil- und Luft- und Raumfahrt ist, wo das Abtragen von nur wenigen Gramm einen großen Unterschied für die Teileleistung ausmachen kann. Tatsächlich finden einige der aufregendsten Gitterforschungen in der Luft- und Raumfahrt statt, wo Unternehmen wie Boeing superleichte, fortschrittliche Gittermaterialien entwickelt haben.

Weniger Material bedeutet auch weniger Aufwand. Durch die Erstellung von Teilen mit Gitterstrukturen können Ingenieure überlegene Teile herstellen, die tatsächlich weniger kosten als minderwertige.

Aber der ganze Sinn von Gitterstrukturen besteht darin, die Masse zu reduzieren, ohne die Integrität des Teils zu beeinträchtigen. Während das Stechen beliebiger Löcher in ein Teil es spröder und bruchanfälliger machen könnte, sind 3D-gedruckte Gitterstrukturen so konzipiert, dass das Material so strukturell effektiv wie möglich genutzt wird, um sicherzustellen, dass die Hohlprofile keine Schwachstellen, sondern Stärken an sich sind /P>

Teilweise hohle Teile mit Gitterstrukturen können tatsächlich stärker sein als ihre massiven Äquivalente, da die leeren Räume in einem Gitter dazu dienen, die Stoßdämpfung zu verbessern und die Stoßbelastung zu verringern. Teile mit großzelligen Gitterstrukturen können hochflexibel und elastisch sein, was die Sprödigkeit und Bruchgefahr verringert.

Weniger wichtig, aber immer noch bemerkenswert, ist die Ästhetik von Gittern. Diese komplexen Muster gehören zu den beeindruckendsten Formen, die Ingenieure mit einem 3D-Drucker herstellen können, daher sind Teile mit gedruckten Gittern oft ebenso ansprechend wie praktisch.

Zusammenfassung der Vorteile von 3D-gedruckten Gittern:

• Leicht
• Weniger Materialverbrauch
• Stark
• Stoßdämpfend
• Ästhetisch

Können CNC-Maschinen Gitterstrukturen herstellen?

Kurz gesagt, nein. CNC-Maschinen und andere subtraktive Fertigungstechnologien können keine 3D-Gitterstrukturen herstellen, da sie Schneidwerkzeuge verwenden, um Material von einem festen Block zu entfernen. Eine CNC-Maschine könnte die Hohlprofile der ersten Gitterzellenreihe wegschneiden, aber das Schneidwerkzeug würde dann in eine Sackgasse geraten. Die nächste Reihe Hohlprofile kann nicht geschnitten werden, da die Vollprofile im Weg sind.

Ein 3D-Drucker hat dieses Problem nicht, weil er Teile in Scheiben oder Querschnitten herstellt und sie aus dem Nichts aufbaut, anstatt sie aus einem festen Block zu schneiden. Die additive Fertigung ist daher bei weitem nicht die beste Fertigungstechnologie zur Erzeugung von Gitterstrukturen.

Beachten Sie jedoch, dass CNC-Maschinen effektiv 2D-Gitterstrukturen wie Gitter erstellen können, und diese spezifischen CNC-bearbeiteten Gitter tatsächlich stärker sein können als 3D-gedruckte Gitter.

Was sind die praktischen Anwendungen von 3D-gedruckten Gittern?

3D-gedruckte Gitterstrukturen finden bereits Anwendung in vielen Branchen, da Ingenieure und Produktdesigner im gesamten kommerziellen Spektrum ständig nach Möglichkeiten suchen, Teile leichter zu machen und zu verstärken.

Gewichtsreduktion ist besonders wichtig in der Luft- und Raumfahrt und Automobil Industrie, da schwere Teile im Allgemeinen die Fahrzeuggeschwindigkeit verringern und zu einem höheren Kraftstoffverbrauch führen. Leichtbauteile sind daher weitaus wünschenswerter.

Angesichts der Tatsache, dass Fachwerkstrukturen in der Architektur seit Hunderten von Jahren existieren, ist es keine Überraschung, dass miniaturisierte Versionen von Gittern auch in der heutigen Architektur immer beliebter werden Landschaft. Und da Gitterstrukturen präzise konstruiert werden können, haben Forscher sogar Wege gefunden, 3D-Muster zu erstellen, die Geräusche reduzieren und möglicherweise Isoliermaterialien für Gebäude verbessern.

3D-gedruckte Gitter finden sich auch in Kleidung undSchuhe , wobei Unternehmen wie Adidas 3D-gedruckte Elastomergitter für Sneaker-Zwischensohlen verwenden. Diese Gitter bieten ein leichtes Kissen mit enormer Sprungkraft – viel besser und wissenschaftlich vertretbarer als die allgegenwärtigen „Luftblasen“ der 1990er Jahre.

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3ERP ist ein erfahrener Anbieter von 3D-gedruckten Teilen und Prototypen und wir sind in der Lage, hochwertige Gitterteile für eine Vielzahl von Anwendungen herzustellen.

Unsere additiven Fertigungsdienste umfassen FDM, SLA, SLS und SLM, die alle zur Erstellung komplexer Innengeometrien verwendet werden können.

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