Bauteile optimieren mit 3D-gedruckten Gitterstrukturen

3D-gedruckte Gitterstrukturen sind eines der stärksten Verkaufsargumente der additiven Fertigung. Sie lassen sich durch den einzigartigen 3D-Druckprozess leicht fertigen und bieten zahlreiche praktische Vorteile.

Gitterstrukturen sind im Grunde Füllmuster – Wege, die interne Geometrie eines 3D-gedruckten Teils zu strukturieren. Anstatt einen massiven Block aus Kunststoff oder Metall zu drucken, können Ingenieure sich überlagernde, ineinandergreifende Muster verwenden, die teilweise hohl sind. Wenn diese Gitter richtig designed sind, können sie die mechanischen Eigenschaften eines Teils erheblich verbessern: Es wird leichter und stärker.

Wichtig: Gitterstrukturen können auf jedem professionellen 3D-Drucker gefertigt werden. Noch wichtiger: Diese Strukturen können mit keiner anderen Fertigungstechnologie adäquat hergestellt werden. Subtraktive Verfahren können das Innere eines Teils nicht schneiden, ohne die Außenseite zu durchtrennen, während Formen einfach mit flüssigem Material „gefüllt“ werden – man kann nicht auswählen, wie sich das flüssige Material verteilt, wie es bei einem 3D-Drucker möglich ist.

Dieser Artikel beleuchtet, wie 3D-gedruckte Gitterstrukturen hergestellt werden und warum sie in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt so nützlich werden.

Wie erstellt man ein 3D-gedrucktes Gitter?

Gitterstrukturen finden sich überall – in Brücken, Fachwerkhäusern. Der Eiffelturm ist vielleicht das berühmteste Beispiel einer Gitter- oder Fachwerkkonstruktion mit seinen sich überlagernden Trägern, die eine stabile, aber weitgehend hohle Struktur bilden.

Eine solche Struktur lässt sich in einem 3D-gedruckten Teil replizieren. Und es ist generell nicht nötig, das Gitter manuell zu designen: Es existieren diverse Gittergenerierungs-Tools, die basierend auf vom Nutzer gewählten Parametern automatisch Gitterstrukturen erzeugen. Kommerzielle Tools umfassen Topology, Autodesk Within und Meshify.

Doch nicht alle Gitter sind gleich. Tatsächlich variieren Gitterstrukturen in vielerlei Hinsicht; die wichtigsten Variationen werden unten beschrieben.

Zellstruktur

Zellen sind die einzelnen Einheiten, aus denen eine Gitterstruktur besteht. Sie sind meist als geometrische Formen erkennbar – Würfel, Sterne, Sechsecke, Achtecke etc. –, obwohl mehrere Formen für spezifische mechanische Zwecke kombiniert werden können. Manchmal sind die Zellen vollständig nicht-uniform, ohne erkennbares Muster.

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

Zellorientierung

Die Entscheidung über Struktur und Größe der Zelle ist nur die halbe Miete. Die Formen innerhalb eines Gitters können in verschiedene Richtungen orientiert werden, was ebenfalls die finale Leistung des Teils beeinflusst. Die Orientierung sollte auch durch Druckrestriktionen bestimmt werden: Bestimmte Orientierungen erfordern beispielsweise mehr Stützstrukturen.

Gitter-Material

Nicht alle Materialien können alle Gitterstrukturen drucken. Weiche und elastische Materialien sollten generell nicht mit großen Zellstrukturen gedruckt werden, da die großen porösen Bereiche das Teil durchhängen lassen könnten. In den meisten Fällen ist das Gitter-Material dasselbe wie das Schalen- oder Außenmaterial, aber Mehrfach-Extruder-Drucker bieten hier gewisse Flexibilität.

Vorteile 3D-gedruckter Gitter

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

Gewichtsreduktion ist vielleicht der wichtigste Vorteil und der Hauptgrund, warum Ingenieure so bestrebt sind, ihre gedruckten Strukturen mit musternden internen Geometrien zu optimieren. Ein Schlüsselmerkmal von Gitterstrukturen ist ihre teilweise Hohlheit: Zellen enthalten leeren Raum, sodass ein Teil mit internem Gitter weniger Gesamtmaterial aufweist als ein äquivalentes Teil mit massiver Füllung.

Weniger Material bedeutet weniger Masse – ein enormer Vorteil für AM-Anwender in Branchen wie Automobil und Luft- und Raumfahrt, wo das Einsparen weniger Gramm die Teileleistung massiv beeinflussen kann. Tatsächlich findet einige der spannendsten Gitterforschung in der Luft- und Raumfahrt statt, wo Unternehmen wie Boeing superleichte, fortschrittliche Gitterwerkstoffe entwickelt haben.

Weniger Material bedeutet auch geringere Kosten. Durch Gitterstrukturen können Ingenieure überlegene Teile schaffen, die tatsächlich weniger kosten als minderwertige massive Teile.

Der Kernpunkt von Gitterstrukturen ist jedoch, Masse zu reduzieren, ohne die Integrität des Teils zu kompromittieren. Während willkürliche Löcher ein Teil spröder und bruchanfälliger machen würden, sind 3D-gedruckte Gitterstrukturen so designed, dass sie das Material strukturell am effektivsten nutzen – die Hohlräume sind keine Schwachstellen, sondern Stärken.

Teilweise hohle Teile mit Gitterstrukturen können tatsächlich stärker sein als ihre massiven Entsprechungen, da die Leerräume im Gitter der Stoßdämpfung dienen und Aufprallspannungen reduzieren. Teile mit großen Zellen können hochflexibel und elastisch sein, was Sprödigkeit und Bruchgefahr verringert.

Weniger wichtig, aber dennoch erwähnenswert, sind die Ästhetik von Gittern. Diese komplexen Muster gehören zu den beeindruckendsten Formen, die Ingenieure mit einem 3D-Drucker erzeugen können, sodass Teile mit gedruckten Gittern oft ebenso visuell ansprechend wie praktisch sind.

Vorteile 3D-gedruckter Gitter – Zusammenfassung:

• Leichtgewicht
• 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 massiven Block abzutragen. Eine CNC-Maschine könnte die Hohlräume der ersten Reihe von Gitterzellen ausfräsen, aber das Werkzeug stößt dann an eine Sackgasse. Es kann die nächste Reihe von Hohlräumen nicht schneiden, weil die massiven Stege im Weg sind.

Ein 3D-Drucker hat dieses Problem nicht, da er Teile in Schichten oder Querschnitzen aufbaut – von nichts ausgehend, statt von einem massiven Block abzutragen. Additive Fertigung ist daher bei weitem die beste Technologie für die Erstellung von Gitterstrukturen.

Hinweis: CNC-Maschinen können jedoch effektiv 2D-Gitterstrukturen wie Gitterroste herstellen, und diese spezifischen CNC-gefrästen Gitter können tatsächlich stärker sein als 3D-gedruckte Gitter.

Praktische Anwendungen 3D-gedruckter Gitter

3D-gedruckte Gitterstrukturen finden bereits in vielen Branchen Anwendung, da Ingenieure und Produktdesigner über das gesamte kommerzielle Spektrum hinweg ständig nach Wegen suchen, Teile leichter und stärker zu machen.

Gewichtsreduktion ist besonders in der Luft- und Raumfahrt und Automobilindustrie wichtig, da schwere Teile generell die Fahrzeuggeschwindigkeit verringern und zu höherem Kraftstoffverbrauch führen. Leichte Teile sind daher weitaus begehrter.

Da Fachwerkkonstruktionen in der Architektur seit Hunderten von Jahren existieren, ist es keine Überraschung, dass miniaturisierte Versionen von Gittern auch in der heutigen Architektur beliebt werden. Und weil Gitterstrukturen präzise designed werden können, haben Forscher sogar Wege gefunden, 3D-Muster zu erstellen, die Lärm reduzieren – potenziell verbessernd für Dämmmaterialien in Gebäuden.

3D-gedruckte Gitter finden sich auch in Bekleidung und Schuhen, wobei Unternehmen wie Adidas 3D-gedruckte Elastomer-Gitter für Sneaker-Mittelsohlen verwenden. Diese Gitter bieten ein leichtes Polster mit enormer Rückfederung – weit besser und wissenschaftlich fundierter als die allgegenwärtigen „Luftblasen“ der 1990er.

3D-gedruckte Gitter mit 3ERP

3ERP ist ein erfahrener Anbieter von 3D-gedruckten Teilen und Prototypen und in der Lage, hochwertige Gitterteile für vielfältige Anwendungen zu produzieren.

Unsere additiven Fertigungsdienstleistungen umfassen FDM, SLA, SLS und SLM, die alle zur Erstellung komplexer interner Geometrien genutzt werden können.

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