3D-Gitterstrukturen designen: Prinzipien, Mechanik & Anwendungen

Gitterstrukturen sind sich wiederholende Muster, die, wenn sie verbunden werden, dreidimensionale Formen bilden. Im Kontext der additiven Fertigung eröffnen kompatible Gitterstrukturen spannende Produktdesignmöglichkeiten, da Designer 3D-Drucktechnologien nutzen, um zuvor „nicht herstellbare“ Formen und Teile zu schaffen. Aus Elastomeren gefertigte 3D-gedruckte Gitterstrukturen sind hoch deformierbar, und ihre mechanischen Eigenschaften erlauben eine Abstimmung über einen weiten Antwortbereich für ein Spektrum von Industrien.

Das Design kompatibler 3D-Gitterstrukturen erfordert jedoch Fertigungsexpertise – ganz zu schweigen von den richtigen Softwaretools. Bei Fast Radius haben wir 3D-gedruckte Gitterstrukturen für eine Vielzahl von Produkten und Anwendungen entworfen und getestet. Wir nutzten Computersimulation, um eine große Datensammlung zu erstellen, die verschiedene Gitterstrukturen und ihre mechanischen Eigenschaften klassifiziert.

Wenn Sie nach der richtigen Art von 3D-Gitterstruktur für Ihr Fertigungsprojekt suchen, ist es entscheidend, zu verstehen, wie verschiedene Designelemente die mechanischen Antworten Ihres fertigen Teils beeinflussen. Mit diesem Ziel haben wir einen kurzen Leitfaden zu den wichtigsten 3D-Gitter-Designelementen zusammengestellt – zusammen mit vier Beispielen kompatibler Gitterstrukturen aus unserer Bibliothek.

Wesentliche Designelemente für Elastomer-3D-Gitterstrukturen

Elastomer-3D-Gitterstrukturprojekte berücksichtigen häufig 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 über die Struktur eines Teils angeordnet ist. Wo sie sich wiederholen, werden einzelne Einheiten innerhalb der Gitterstruktur als Einheitszellen bezeichnet – in Anlehnung an die zellulären und Kristallstrukturen in der Natur.
• Steifigkeit/Modul: Die Steifigkeit oder der Modul des Gitters bezeichnet die Kraft, die erforderlich ist, um seine Struktur zu verformen. Der Modul wird typischerweise für kleine Verformungen definiert, wenn die Gitterantwort voll elastisch ist.
• Knickverhalten: Das Knickverhalten beschreibt, wie eine Gitterstruktur nachgibt, und hängt von der strukturellen Instabilität der Gitterelemente ab, während sie sich verformen. Nicht alle Gitterstrukturen zeigen Knicken – und Knicken ist nicht immer ein wünschenswertes Merkmal.
• Energiedissipation: Die Energiedissipation einer Gitterstruktur bezeichnet ihre Fähigkeit, Energie aufzunehmen, während sie verformt wird.

Beispieltypen 3D-gedruckter Gitterstrukturen

Einfache kubische 3D-Gitterstruktur

Diese einfache kubische Gitterstruktur hat eine Einheitszellengröße von 7,5 mm und eine Strebenbreite von 2 mm. Der Modul beträgt 0,72 MPa.

Knickverhalten: Diese Struktur der einfachen kubischen Gitterstruktur zeigt Knickinstabilität. Nach einer Dehnung von ca. 0,05 ist der Modul konstant bei einer Spannungsplateau von 25 kPa. Zusätzliche Verformung erhöht den Modul nicht.

Energiedissipation: Die einfache kubische Gitterstruktur hat ein inelastisches Knickverhalten, das eine unterschiedliche Reaktion beim Be- und Entladen erzeugt. Das inelastische Verhalten kann für viele Zwecke genutzt werden, einschließlich Energiedissipation.

Anwendungen: Das Knickverhalten dieser einfachen kubischen Gitterstruktur erzeugt eine Kraftschwelle, die sie zu einem guten Kandidaten für persönliche Schutzanwendungen und zum Schutz empfindlicher Komponenten macht. Dieser Gittertyp eignet sich auch effektiv zum Füllen von Lücken zwischen Komponenten in Baugruppen.

Kelvin-Zellen 3D-Gitterstruktur

Diese Kelvin-Zellen-Gitterstruktur hat eine Einheitszellengröße von 10 mm und eine Strebenbreite von 2 mm. Der Modul beträgt 0,44 MPa.

Knickverhalten: Im Gegensatz zur einfachen kubischen Gitterstruktur hat die Kelvin-Zellen-Gitterstruktur einen niedrigen Knickpunkt, was bedeutet, dass ihre Streben auf Kraft mit Dehnung reagieren. Die Kelvin-Zellen-Gitterstruktur hat kein Plateau und komprimiert kontinuierlich mit einfacher elastischer Steifigkeit, bis sie vollständig verdichtet ist.

Energiedissipation: Die Kelvin-Zellen-Gitterstruktur speichert Energie durch ihre elastische Verformung und kehrt schnell in ihre ursprüngliche Form zurück, wie eine Feder, wenn die Kraft entfernt wird.

Anwendungen: Die Kelvin-Zellen-Gitterstruktur ist ein guter Kandidat für Schaumstoffersatz in Produkten unter statischer Kompression wie Sitzkissen oder Körperpolster. Mit ihren komplexen sechseckigen Zellen ist die Kelvin-Zellen-Gitterstruktur optisch auffällig, was sie zu einer Option für ästhetische und Modeanwendungen macht.

Körperzentrierte 3D-Gitterstruktur

Diese körperzentrierte Gitterstruktur hat eine Einheitszellengröße von 10 mm und eine Strebenbreite von 2 mm. Der Modul beträgt 0,07 MPa.

Knickverhalten: Die körperzentrierte Gitterstruktur hat eine Dehnungsantwort, was bedeutet, dass sie mit steigender Kraft pro Einheitsverschiebung reagiert, bis sie vollständig verdichtet ist. Ihr Modul ist im Vergleich zur einfachen kubischen Gitterstruktur viel niedriger, und sie hat keine Plateau-Spannung.

Energiedissipation: Wie die Kelvin-Einheit speichert die körperzentrierte Gitterstruktur Energie durch elastische Verformung und kehrt in ihre ursprüngliche Form zurück, wie eine Feder, wenn die Kraft entfernt wird.

Anwendungen: Mit ihrer hohen Dehnungselastizität ist die körperzentrierte Gitterstruktur ein guter Kandidat für Schaumstoffersatz in Produkten unter statischer Kompression. Die zum Zellenzentrum gerichteten, angewinkelten Streben machen ihre Antwort gleichmäßig und konsistent.

Körperzentriert-kubische (BCC) 3D-Gitterstruktur

Die körperzentriert-kubische (BCC) Gitterstruktur kombiniert die körperzentrierte und die einfache kubische Gitterstruktur in einer einzigen Struktur. Diese Gitterstruktur hat eine Einheitszellengröße von 7,5 mm und eine Strebenbreite von 1 mm. Der Modul beträgt 0,23 MPa – höher als die oben aufgeführten einfachen kubischen und körperzentriert-kubischen Gitterstrukturen.

Knickverhalten: Da die BCC-Gitterstruktur zwei Arten von 3D-gedruckten Gittern kombiniert, ist ihre Antwort eine Kombination aus beiden. Diese Gitterstruktur knickt wie die einfache kubische Gitterstruktur mit einer Plateau-Spannung (0,12 MPa), zeigt aber ein stabileres Nachknickverhalten.

Energiedissipation: Da die BCC-Gitterstruktur sowohl eine elastische als auch eine knickende Antwort kombiniert, ist es möglich, Energiespeicherung und -dissipation für spezifische Anwendungen anzupassen.

Anwendungen: Die BCC-Gitterstruktur ist besonders nützlich für Anwendungen, die von einer maßgeschneiderten elastischen und knickenden Antwort profitieren. Sie funktioniert auch gut, wenn ein Produkt Energiedissipation mit stabilerer Antwort als dem reinen Knicken der einfachen kubischen Gitterstruktur benötigt.

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