Verwendung von 3D-gedruckten Gittern zur Maximierung der Geräusch- und Stoßdämpfung

Von Tristan Antonsen, Anwendungstechniker, Fast Radius

Gitter sind dreidimensionale Strukturen, die aus einer Reihe sich wiederholender Einheitszellen bestehen, die durch ein Muster sich kreuzender Balken und Knoten erzeugt werden. Diese Mikroarchitekturen haben in den letzten Jahren aus einer Reihe von Gründen an Popularität gewonnen, einschließlich ihrer Fähigkeit, die Herstellung von Leichtbauteilen zu ermöglichen, die vergleichbare Materialeigenschaften und strukturelle Integrität wie ältere Komponenten aufweisen – und oft mit weniger überschüssigem Material. Gitter werden auch verwendet, um Stöße, Geräusche und Vibrationen zu dämpfen, da sie eine geringe Steifigkeit und die Fähigkeit haben, Belastungen zu ertragen und sich davon zu erholen.

Dies hat einige vielleicht überraschende Anwendungen in der realen Welt. Beeindruckt von dem, was unsere Partner bei Carbon mit ihrer bahnbrechenden Digital Light Synthesis™-Technologie erreichen, hat der Sportbekleidungsgigant Adidas die Hand ausgestreckt, um eine Mittelsohle für Sportschuhe zu entwickeln, die die hohe Stoßdämpfung von Gittern beinhaltet. Die Materialanforderungen stellten eine Herausforderung dar:Die Sohle musste belastbar und flexibel sein, einen hervorragenden Rückprall bieten und Stöße auf den Körper des Athleten minimieren. Die Technologie von Carbon hat sich der Herausforderung gestellt – das Ergebnis ist die atemberaubende, hochleistungsfähige Adidas Futurecraft 4D-Zwischensohle, die eine außergewöhnliche Stoßdämpfung bei geringem Komponentenvolumen bietet.

Hier ist, was Produktmanager darüber wissen müssen, wie Gitter verwendet werden können, um eine maximale Vibrationsdämpfung und Energiedämpfung zu erreichen.

Alles über Gitter

Im Allgemeinen erschweren die geringe Größe und komplexe Geometrie von Gittern ihre Herstellung durch traditionelle subtraktive Herstellungsverfahren; Gitter werden daher typischerweise über 3D-Druckverfahren hergestellt.

Ein wesentlicher Vorteil des Designs für die additive Fertigung besteht darin, dass Produktmanager einen inversen Designprozess implementieren können, d. h. sie können optimale Materialeigenschaften für die jeweilige Anwendung entwerfen, anstatt zu versuchen, ein geeignetes Material zu finden, das bereits vorhanden ist.

Einige Materialien leiten Energie von Natur aus besser ab – EPU 40 ist beispielsweise ein besseres Vibrationsdämpfungsmaterial als EPU 41 – und die Auswahl eines Materials, das den erforderlichen Eigenschaften der Teileanwendungen entspricht, ermöglicht es Herstellern, die Stoßdämpfung ihrer Komponenten zu erhöhen.

Während die Materialauswahl eine bedeutende Rolle bei der Fähigkeit eines Gitters spielt, Vibrationen zu dämpfen und Energie abzuleiten, hat das Design des Gitters in den meisten Fällen einen bedeutenderen Einfluss auf die Dämpfungswirkung eines Teils. Auf Makroebene sind Gitterstrukturen typischerweise so konstruiert, dass sie sich beim Aufprall biegen oder knicken. Biegegitter sind sehr elastisch und federnd, während Knickgitter ein Nachgeben und Biegen einzelner Balken ermöglichen, was beim Ableiten von Energie äußerst effektiv ist. Teile können auch mit freier Schichtdämpfung behandelt werden.

Auf einer granularen Ebene werden die sich wiederholenden Muster von Balken und Knoten, aus denen das Gitter besteht, Einheitszellen genannt. Es gibt eine enorme Anzahl möglicher Kombinationen von Knoten und Balken, aber offene, spärliche Einheitszellen erzeugen typischerweise weiche Gitter, während Einheitszellen mit einer höheren Konzentration von Dreiecken und Balken im Allgemeinen starre Strukturen erzeugen.

Zelltyp, -größe und -orientierung haben einen direkten Einfluss auf das Materialdämpfungsverhältnis eines Gitters, und Änderungen in der relativen Dicke der Balken im Vergleich zur Größe der Zelleinheit führen dazu, dass das Gitter auch ein drastisch anderes Verhalten zeigt – alles was berücksichtigt werden muss, um die Stoßdämpfung und Energiedissipation zu maximieren.

Design von Gittern für die Fertigung

Während additive Methoden es Herstellern ermöglicht haben, Dinge zu schaffen, die zuvor nicht möglich waren, müssen Gitter immer noch gut entworfen werden, um ihre beabsichtigten Funktionen effektiv zu erfüllen. Durch die Einbeziehung der Prinzipien des Designs für die additive Fertigung (DFAM) können Ingenieure dazu beitragen, die spezifischen Eigenschaften des 3D-Druckverfahrens zu nutzen, um sicherzustellen, dass ihre Gitterstrukturen Stöße, Schall und Vibrationen maximal effektiv absorbieren.

Zwei wichtige DFAM-Überlegungen sind die Struktur und Orientierung der Elementarzellen eines Gitters. Das Gitter muss in erster Linie bedruckbar sein. Dazu gehören Überlegungen wie Druckverfahren, Druckausrichtung und manchmal Stützstrukturen in das Design, um die Funktionsfähigkeit des Teils sicherzustellen.

Die Gitterzellenorientierung erzeugt von Natur aus anisotrope Teile, was bedeutet, dass sich die Komponenten in einer Richtung anders verhalten als in der anderen. Dies ist jedoch nicht unbedingt ein Nachteil – wenn sich ein Gitter in eine Richtung verhalten muss (wie es bei knickenden Gittern der Fall ist), sollten Produktmanager sicherstellen, dass die Zellorientierung der Struktur richtig in diese Richtung ausgerichtet ist.

Bei richtiger Implementierung ermöglicht DFAM den Herstellern, die Einschränkungen der alten Herstellungsmethoden zu umgehen und völlig neue Dinge zu ermöglichen. In vielen Fällen sind additiv hergestellte Teile, die Gitterstrukturen enthalten, von vergleichbarer, wenn nicht sogar besserer Qualität als Teile, die mit herkömmlichen Verfahren hergestellt wurden.

Entdecken Sie, wie Fast Radius Innovationen in der Fertigung vorantreibt

Gitterstrukturen sind eine vielseitige und effektive Methode zur Herstellung von Teilen, die Stöße, Geräusche und Vibrationen absorbieren und ableiten. Die wichtigsten Überlegungen beim Gitterdesign beinhalten die klare Definition der Anforderungen im Vorfeld, die Auswahl geeigneter Materialien basierend auf diesen Anforderungen und der gewünschten Funktionalität des Gitters und die entsprechende Architektur der Struktur des Gitters. Die Auswahl des besten Materials für die Vibrationsdämpfung basierend auf den erforderlichen Leistungsmerkmalen ist der ideale Ausgangspunkt, da dies dazu beiträgt, die Energiedissipation und die Stoßdämpfungsfähigkeiten des Teils zu maximieren.

Fast Radius ist bestrebt, modernste Technologien sowie bewährte Methoden einzusetzen, um jede Fertigung effizienter und effektiver zu gestalten. Wir arbeiten mit jedem unserer Kunden zusammen, um Teile hinsichtlich Design und Herstellbarkeit zu optimieren, da wir stolz darauf sind, qualitativ hochwertige Komponenten pünktlich und zu wettbewerbsfähigen Preisen zu liefern. Kontaktieren Sie uns noch heute, um herauszufinden, wie wir Ihnen helfen können.