3D-gedruckte Gitter verstehen:Eigenschaften, Leistung und Überlegungen zum Design

Verfahren der additiven Fertigung (AM) ermöglichen es Ingenieuren, die Fähigkeiten von Gitterstrukturen freizusetzen, um die Leistung ihrer Produkte zu verbessern. Gitter sind zwei- oder dreidimensionale Mikroarchitekturen, die aus einem Netzwerk von Knoten und Balken oder Streben bestehen, die das Gewicht drastisch reduzieren und die strukturelle Integrität bewahren.

Es sind unzählige Gittertypen verfügbar

Es gibt unzählige Gittertypen mit einzigartigen Eigenschaften (Verformungsarten, Materialeffizienz usw.) und Ästhetik. Viele dieser Gitterstrukturen sind von natürlich vorkommenden kristallinen Strukturen inspiriert. Und aufgrund ihrer von Natur aus kleinen Merkmale sind Gitter mit herkömmlichen Herstellungsmethoden schwierig – oder fast unmöglich – herzustellen.

Durch die Einbeziehung von Gitterstrukturen können Ingenieure mehr Designraum erkunden, indem sie die gewünschte Leistung ihres Teils überdenken.

Durch Gittertechniken kann die Gesamtmasse des Teils um 90 % oder mehr reduziert werden, indem die Gitterparameter genau auf die physikalischen Belastungen des Teils abgestimmt werden.

Mechanische Vorteile

Die Vorteile von Gittern sind seit jeher bekannt. Wenn Sie genau hinsehen, sehen Sie Gitter in der Natur (wie Knochen, Metallkristallographie usw.) sowie moderne Architektur. Nehmen wir das Beispiel Eiffelturm:Die Metallstruktur des Turms stützt sein Gewicht effizient, während er in den Himmel ragt. Ähnlich einem einfachen Gitter besteht diese selbsttragende Struktur volumenmäßig hauptsächlich aus Luft. Das mit Gittern mögliche hohe Festigkeits-Gewichts-Verhältnis ermöglichte diese enorme architektonische Leistung.

In ähnlicher Weise ermöglichen die mechanischen Vorteile von Gittern (z. B. große Oberfläche, hervorragende Stoßdämpfung, Aufprallschutz) im Produktdesign Produktdesignern, den Einschränkungen der traditionellen Fertigung zu trotzen, um neue – und oft leistungsstärkere – Produkte zu entwickeln.

Gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht

Es gibt im Allgemeinen zwei Möglichkeiten, das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht eines bestimmten Teils zu verbessern. Durch die traditionelle Herstellung wird dies erreicht, indem Materialien in unkritischen Bereichen reduziert werden, um den Materialverbrauch zu optimieren. Durch Gitter können Sie Material in den kritischen Bereichen des Teils entfernen. Obwohl das Gitter die Gesamtfestigkeit des Teils verringert, kann die Gewichtseinsparung dieses Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht verbessern.

Hohe Oberfläche

Gitter sind nicht nur leicht, sondern erschließen eine große Oberfläche – ein entscheidender Vorteil für Produkte, die den Wärmeaustausch und chemische Reaktionen erleichtern.

Betrachten Sie Wärmetauscher, die in Computern in Servern und Rechenzentren verwendet werden. Typischerweise wird die Leistung des Prozessors durch die erzeugte Wärmemenge begrenzt. Ziel ist es, die Wärme aus dem Chip zu entfernen und in die Atmosphäre abzugeben, normalerweise unterstützt durch einen Lüfter. Die Gesamteffizienz dieses Systems hängt von der Oberfläche des Kühlkörpers (dem Metallstück, das die Wärme vom Chip abführt) ab. Gitter können die Menge an verfügbarem Oberflächenbereich dramatisch erhöhen oder alternativ diese Menge an Oberflächenbereich kostengünstiger produzieren, indem komplexe Werkzeugverfahren vermieden werden. Tatsächlich kann dieser Effizienzgewinn bei vielen verschiedenen Arten von Wärmetauscheranwendungen realisiert werden, bei denen kleine Merkmale mit großen Oberflächen ohne additive Fertigung nur schwer oder fast unmöglich herzustellen sind.

Hervorragende Stoßdämpfung und Aufprallschutz

Gitter können auch dazu beitragen, Produkte vor Stürzen oder Kollisionen zu schützen, indem sie Aufprallenergie besser absorbieren. Gitter können entweder in ein Produkt – wie einen Football-Helm – integriert werden, um die Stoßbelastung zu reduzieren, oder als Opferelement verwendet werden, um die kritischen Komponenten eines Produkts zu schützen. Ein Gitter könnte beispielsweise um oder in elektronischen Komponenten verwendet werden, um sie vor einem dynamischen Ereignis zu schützen, wie beispielsweise einem allzu häufigen versehentlichen Herunterfallen.

Wünschenswerte Vibrations- und Geräuschdämpfung

Additiv gefertigte Gitter bieten Ingenieuren auch eine neue Möglichkeit, mechanische Geräusche – wie Vibrationen – zu eliminieren, die für Benutzer unangenehm sein und sogar die Maschinenleistung beeinträchtigen können.

Gitter dämpfen Vibrationen aufgrund ihrer geringen Steifigkeit und ihrer Fähigkeit, großen Belastungen standzuhalten und sich wieder zu erholen. Gitter könnten beispielsweise in eine isolierende Unterlage auf schwerem Gerät integriert werden, um die Menge an Energie zu reduzieren, die in das Fertigungssystem einfließt. Die abstimmbare Natur von Gittern ermöglicht es Ingenieuren, Designs zu verfeinern, um sie an ihre spezielle Anwendung anzupassen.

Schöpfen Sie das Potenzial von Gittern frei, indem Sie sich an die DFAM-Prinzipien halten

Es stimmt, dass die additive Fertigung viele neue Produktmöglichkeiten eröffnen kann, aber es gibt Designfaktoren, die Sie berücksichtigen müssen, bevor Sie ein funktionales Gitter drucken. Hier kommt Design for Additive Manufacturing (DFAM) ins Spiel. DFAM hilft Konstrukteuren sicherzustellen, dass ihre gedruckten Teile der Designabsicht entsprechen.

Einige wichtige DFAM-Überlegungen umfassen Gitterzellstruktur, Zellgröße und -dichte, Materialauswahl und Zellorientierung.

• Zellstruktur
  Es gibt eine Vielzahl von Zellstrukturen, die die sich wiederholende Einheit in einem Gitter sind. Die Liste der Zellstrukturen ist sehr lang und wächst ständig. Die gebräuchlichsten Zellstrukturen umfassen kubisch, sternförmig, achteckig, sechseckig, rautenförmig und tetraedrisch, um nur einige zu nennen. Zellstrukturen können abgestimmt und sogar gemischt werden, um die gewünschte Reaktion für Ihr System zu erhalten, aber Ihre Auswahl hat Auswirkungen. Einige Strukturen sind effizienter (höheres Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis), andere dämpfen Energie besser und einige sind ästhetisch ansprechender. Die Stärken und Vorteile müssen gegeneinander abgewogen werden, um die richtige Wahl für Ihren Teil zu treffen.
• Zellgröße und -dichte
  Zellengröße und -dichte beziehen sich auf die Größe einer einzelnen Einheitszelle und darauf, wie viele Zellen sich innerhalb eines Raums wiederholen. Die Zellengröße selbst hängt von der Dicke und Länge ihrer Stäbe und Verbindungsknoten ab. Größere Zellen können einfacher zu drucken sein, können aber auch steifer wirken; ebenso ermöglichen kleinere Zellen homogenere Systemantworten, sind aber durch die Strukturgrößen begrenzt.

• Materialauswahl
  Ihr gewähltes Material kann definieren, welche Gittereigenschaften möglich sind. Elastomere oder weiche Materialien erfordern im Allgemeinen eine kleinere und dichtere Zellpopulation, um das Durchhängen während des Druckens zu reduzieren. Alternativ ermöglichen mit einem steiferen Material gedruckte Gitter im Allgemeinen einen größeren Gestaltungsbereich mit dünneren Elementen und größeren Zellgrößen.
• Zellorientierung
  Der Winkel, in dem eine Zelle gedruckt wird, kann den Erfolg eines Drucks beeinträchtigen, da er die Menge und Platzierung der erforderlichen Stützen beeinflusst. Im Allgemeinen ist ein gut gewähltes und orientiertes Gitter selbsttragend, was keine separaten Stützen erfordert. Oft kann eine Struktur gedreht werden, um Stützen zu reduzieren. Denken Sie an ein großes kubisches Fachwerk – wenn es direkt auf die Konstruktionsplattform gedruckt wird, werden horizontale Elemente nicht unterstützt. Wenn die Struktur jedoch einfach um 45 Grad gedreht wird, sind die Elemente jetzt selbsttragend.

Die sich wiederholenden Einheitszellen eines Gitters öffnen die Tür für unzählige Größen, Formen und Leistungsattribute. Die inhärente Komplexität von Gittern macht es fast unmöglich, sie auf andere Weise als durch additive Fertigung herzustellen.

Wenn Sie noch nie mit Gittern entworfen haben, kann es gut sein, einen Experten anzusprechen, der Ihnen beim Einstieg helfen kann. Unser Team bei Fast Radius ist darauf spezialisiert, den Gesamtwert von Additiven zu maximieren, von der Entwicklung leistungsstärkerer Produkte mit Gittern bis hin zur Steigerung der Effizienz der Lieferkette durch On-Demand-Produktion und virtuelle Lagerhaltung. Um mehr über den potenziellen Wert von Additiven zu erfahren – oder um mit der Entwicklung eines Produkts für AM-Prozesse zu beginnen – wenden Sie sich noch heute an uns.

Sind Sie bereit, Ihre Teile mit Fast Radius herzustellen?

Starten Sie Ihr Angebot