3D-Gitterstrukturen:Designelemente und mechanische Reaktionen

Gitterstrukturen sind sich wiederholende Muster, die, wenn sie verbunden sind, dreidimensionale Formen bilden. Im Kontext der additiven Fertigung eröffnen nachgiebige Gitterstrukturen aufregende Produktdesignmöglichkeiten, da Designer 3D-Drucktechnologien nutzen, um zuvor „nicht herstellbare“ Formen und Teile zu erstellen. Wenn sie aus Elastomeren hergestellt werden, sind 3D-gedruckte Gitterstrukturen stark verformbar und ihre mechanischen Eigenschaften ermöglichen es, sie über ein breites Spektrum von Reaktionen abzustimmen und in einer Vielzahl von Branchen einzusetzen.

Das Entwerfen von konformen 3D-Gitterstrukturen erfordert jedoch Fertigungskompetenz – ganz zu schweigen von den richtigen Softwaretools. Bei Fast Radius haben wir 3D-gedruckte Gitterstrukturen für eine Vielzahl unterschiedlicher Produkte und Anwendungen entworfen und getestet. Wir haben Computersimulationen verwendet, um eine große Datenbibliothek zu erstellen und verschiedene Gitterstrukturen und ihre mechanischen Eigenschaften zu klassifizieren.

Wenn Sie nach der richtigen Art von 3D-Gitterstruktur für Ihr Fertigungsprojekt suchen, ist es wichtig, dass Sie verstehen, wie sich verschiedene Designelemente auf die mechanischen Reaktionen Ihres fertigen Teils auswirken. Vor diesem Hintergrund haben wir einen kurzen Leitfaden zu den wichtigsten Elementen des 3D-Gitterdesigns zusammengestellt, um Ihnen dabei zu helfen, das Potenzial der additiven Fertigung Ihres Projekts zu erkunden – zusammen mit vier Beispielen für konforme Gitterstrukturen, die aus unserer Bibliothek ausgewählt wurden.

Wichtige Designelemente für Elastomer-3D-Gitterstrukturen

Elastomer-3D-Gitterstrukturprojekte berücksichtigen üblicherweise einige oder alle der folgenden vier Designelemente:

• Geometrie: Die Geometrie eines Gitters bezieht sich auf die physische Größe und Form seiner Komponenten – und wie ihr Muster in der gesamten Struktur eines Teils angeordnet ist. Wenn sie sich wiederholen, werden einzelne Einheiten innerhalb der Struktur eines Gitters kollektiv als Elementarzellen bezeichnet – ein Verweis darauf, wie eine Gitterstruktur von den in der Natur vorkommenden Zell- und Kristallstrukturen inspiriert ist.
• Steifigkeit/Modul: Die Steifigkeit oder der Modul des Gitters bezieht sich auf die Kraft, die erforderlich ist, um seine Struktur zu verformen. Der Modul wird typischerweise für kleine Verformungen definiert, wenn die Gitterantwort vollständig elastisch ist.
• Knickreaktion: Die Knickreaktion beschreibt die Art und Weise, wie eine Gitterstruktur nachgibt, und hängt von der strukturellen Instabilität von Gitterelementen ab, wenn sie sich verformen. Nicht alle Gitterstrukturen weisen Knickungen auf – und Knickungen sind nicht immer erwünscht.
• Energieverlust: Die Energiedissipation einer Gitterstruktur bezieht sich auf ihre Fähigkeit, Energie zu absorbieren, während sie verformt wird.

Beispieltypen von 3D-gedruckten Gitterstrukturen

Einfache kubische 3D-Gitterstruktur

Dieses einfache kubische Gitter hat eine Einheitszellengröße von 7,5 mm und eine Traversenbreite von 2 mm. Der Modul beträgt 0,72 MPa.

Knickreaktion: Diese Struktur des einfachen kubischen Gitters weist eine Knickinstabilität auf. Nach einer Dehnung von etwa 0,05 ist der Modul bei einem Spannungsplateau von 25 kPa konstant. Zusätzliche Verformung erhöht den Modul nicht.

Energieverlust: Das Simple Cubic-Gitter hat ein unelastisches Knickverhalten, das beim Be- und Entladen ein unterschiedliches Verhalten hervorruft. Das unelastische Verhalten kann für viele Zwecke genutzt werden, einschließlich der Energiedissipation.

Anwendungen: Die Knickreaktion dieses einfachen kubischen Gitters erzeugt eine Kraftschwelle, die es zu einem guten Kandidaten für Personenschutzanwendungen und zum Abschirmen empfindlicher Komponenten macht. Dieser Gittertyp eignet sich auch zum Füllen von Lücken zwischen Komponenten in Baugruppen.

Kelvin-Zelle 3D-Gitterstruktur

Dieses Kelvin-Zellengitter hat eine Einheitszellengröße von 10 mm und eine Fachwerkbreite von 2 mm. Der Modul beträgt 0,44 MPa.

Knickreaktion: Im Gegensatz zum Simple Cubic-Gitter hat die Kelvin-Zellgitterstruktur einen niedrigen Knickpunkt, was bedeutet, dass sich ihre Balken als Reaktion auf Kraft dehnen. Das Kelvin-Zellgitter hat kein Plateau und komprimiert sich kontinuierlich mit einer einfachen elastischen Steifigkeit, bis es vollständig kompaktiert ist.

Energieverlust: Das Kelvin-Zell-Gitter speichert durch seine elastische Verformung Energie und kehrt nach Wegnahme der Kraft wie eine Feder schnell in seine ursprüngliche Form zurück.

Anwendungen: Das Kelvin-Zellgitter ist ein guter Kandidat für den Schaumersatz in Produkten, die unter statischer Kompression stehen, wie Sitzkissen oder Körperpolster. Mit seinen komplizierten sechseckigen Zellen ist das Kelvin-Zellgitter optisch auffällig, was es zu einer Option für ästhetische und modische Anwendungen macht.

Körperzentrierte 3D-Gitterstruktur

Dieses körperzentrierte Gitter hat eine Einheitszellengröße von 10 mm und eine Fachwerkbreite von 2 mm. Der Modul beträgt 0,07 MPa.

Knickreaktion: Die körperzentrierte Gitterstruktur hat eine Dehnungsreaktion, was bedeutet, dass sie mit zunehmender Kraft pro Verschiebungseinheit reagiert, bis sie vollständig verdichtet ist. Sein Modul ist im Vergleich zum einfachen kubischen Gitter viel niedriger und es hat keine Plateauspannung.

Energieverlust: Wie die Kelvin-Einheit speichert das körperzentrierte Gitter Energie durch seine elastische Verformung und kehrt ähnlich wie eine Feder in seine ursprüngliche Form zurück, wenn die Kraft weggenommen wird.

Anwendungen: Mit seiner hohen Dehnungselastizität ist das körperzentrierte Gitter ein guter Kandidat für den Schaumersatz in Produkten unter statischer Kompression. Die abgewinkelten Streben, die zur Mitte der Zelle zeigen, sorgen für eine gleichmäßige und konsistente Reaktion.

Körperzentrierte kubische (BCC) 3D-Gitterstruktur

Das Body-Centered Cubic (BCC)-Gitter kombiniert das Body-Centered-Cubic-Gitter und das Simple Cubic-Gitter in einer einzigen Struktur. Dieses Gitter hat eine Elementarzellengröße von 7,5 mm und eine Fachwerkbreite von 1 mm. Der Modul beträgt 0,23 MPa – was höher ist als bei den oben aufgeführten einfachen kubischen und körperzentrierten kubischen Gittern.

Knickreaktion: Da das BCC-Gitter zwei Arten von 3D-gedruckten Gittern kombiniert, ist seine Reaktion eine Kombination aus beiden. Dieses Gitter knickt wie das einfache kubische Gitter mit einer Plateauspannung (0,12 MPa), hat aber ein stabileres Verhalten nach dem Knicken.

Energieverlust: Da das BCC-Gitter sowohl eine elastische als auch eine knickende Reaktion kombiniert, ist es möglich, die Energiespeicherung und -dissipation an spezifische Anwendungen anzupassen.

Anwendungen: Das BCC-Gitter ist besonders nützlich für Anwendungen, die von einem maßgeschneiderten elastischen und knickenden Verhalten profitieren. Es funktioniert auch gut, wenn ein Produkt eine Energiedissipation mit einer stabileren Reaktion erfordert als das reine Knicken, das im einfachen kubischen Gitter zu sehen ist.

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