3D-Gitterstrukturen: Designprinzipien und mechanisches Verhalten für fortschrittliche additive Fertigung

Veröffentlicht am 3. Mai 2022

Ursprünglich veröffentlicht auf fastradius.com am 3. Mai 2022

Gitterstrukturen sind periodische Frameworks, die sich zu komplexen dreidimensionalen Geometrien zusammenfügen. In der additiven Fertigung ermöglichen kompatible Gitter beispiellose Designfreiheit, sodass Ingenieure Formen produzieren können, die zuvor unerreichbar waren.

Wenn sie aus Elastomern gefertigt werden, zeigen diese Gitter bemerkenswerte Verformbarkeit. Durch Anpassen der Architektur können Designer Steifigkeit, Knickverhalten und Energieabsorption feinjustieren, um den Anforderungen einer breiten Industrienpalette gerecht zu werden.

Die Erstellung kompatibler 3D-Gitter erfordert sowohl Fertigungsexpertise als auch fortschrittliche Designtools. Bei SyBridge haben wir eine umfassende Bibliothek elastomerer Gitter über zahlreiche Produktkategorien hinweg engineered und validiert, unterstützt von umfangreichen Simulationsdaten, die Struktur mit mechanischer Performance korrelieren.

Die Wahl der richtigen Gitterarchitektur hängt davon ab, zu verstehen, wie jede Designvariable die mechanische Antwort des Teils beeinflusst. Der folgende Leitfaden destilliert die wesentlichen Designelemente und präsentiert vier repräsentative Gittertypen aus unserem Katalog.

Wesentliche Designelemente für Elastomer-3D-Gitterstrukturen

Elastomer-Gitterprojekte evaluieren typischerweise folgende Kernelemente:

• Geometrie: Die räumliche Konfiguration von Streben und Knoten – inkl. Unit-Cell-Größe, -Form und Overall-Topologie – regiert direkt Lastpfade und Deformationsmodi.
• Steifigkeit / Modul: Definiert für kleine, elastische Deformationen, zeigt diese Metrik die Kraft, um eine gegebene Dehnung zu erreichen, und ist kritisch für lasttragende Anwendungen.
• Knickverhalten: Die Neigung von Gitterelementen, unter Drucklasten zu knicken, bestimmt, ob die Struktur elastisch verhält, ein Spannungsplateau zeigt oder progressiv kollabiert.
• Energiedissipation: Die Fähigkeit, mechanische Energie während Be- und Entlastungszyklen zu absorbieren und zu dissipieren, macht bestimmte Gitter ideal für Impact-Mitigation oder Vibrationsisolierung.

Beispieltypen 3D-gedruckter Gitterstrukturen

Einfaches Kubisches Gitter

Dieses Gitter hat eine 7,5 mm Unit Cell und 2 mm Strebenbreite, ergibt ein Modul von 0,72 MPa.

Knickverhalten: Zeigt deutliche Knickinstabilität; nach Dehnung von ~0,05 plateaut die Spannung bei 25 kPa, weitere Deformation erhöht den Modul nicht.

Energiedissipation: Das inelastische Knickverhalten erzeugt eine Hysterese-Schleife, geeignet für Anwendungen mit Impact-Absorption.

Anwendungen: Ideal für persönliche Schutzausrüstung und als Opferschicht zum Schutz sensibler Komponenten, kann auch Zwischenräume in Baugruppen füllen.

Kelvin-Zellen-Gitter

Unit Cell Größe 10 mm, Strebenbreite 2 mm, Modul 0,44 MPa.

Knickverhalten: Kein distinctes Plateau; Streben dehnen sich elastisch bis zur vollen Kompaktierung, was eine glatte Kompressionskurve liefert.

Energiedissipation: Speichert Energie elastisch und kehrt schnell zur Originalform zurück – verhält sich wie eine resiliente Feder.

Anwendungen: Geeignet als Schaumstoffersatz in statisch-kompressiven Produkten wie Sitzkissen und Körperpads, und seine hexagonale Geometrie bietet ästhetischen Reiz für modezentrische Designs.

Körperzentriertes Gitter

Unit Cell Größe 10 mm, Strebenbreite 2 mm, Modul 0,07 MPa.

Knickverhalten: Zeigt progressives, dehnendes Verhalten mit steigender Kraft pro Verschiebung bis zur vollen Kompaktierung; kein Spannungsplateau beobachtet.

Energiedissipation: Ähnlich der Kelvin-Unit verhält es sich wie eine Feder, kehrt nach Belastung zur Form zurück.

Anwendungen: Die hohe Dehnung, elastische Response macht es ideal für statisch-kompressiven Schaumersatz, während angewinkelte Streben uniforme mechanische Performance liefern.

Körperzentrisch-Kubisches (BCC) Gitter

Diese hybride Struktur kombiniert körperzentrierte und einfach kubische Topologien, mit 7,5 mm Unit Cell und 1 mm Strebenbreite. Der resultierende Modul ist 0,23 MPa – höher als einfach kubisches und körperzentriertes Gitter allein.

Knickverhalten: Das BCC-Gitter erbt Knicken vom einfach kubischen Komponenten, zeigt Plateau bei 0,12 MPa, doch sein Post-Knick-Verhalten ist stabiler.

Energiedissipation: Durch Mischen elastischer und Knick-Modi erlaubt das BCC-Gitter präzises Tuning von Energiespeicherung und -freisetzung für spezifische Use Cases.

Anwendungen: Ideal für Produkte, die eine maßgeschneiderte Kombination aus elastischer Resilienz und kontrollierter Energiedissipation benötigen, bietet vorhersehbarere Response als reine Knick-Gitter.

Neue Dinge möglich machen mit SyBridge

Die vier hervorgehobenen Gitter kratzen nur an der Oberfläche dessen, was elastomere 3D-Gitterdesign erreichen kann. Wenn Sie bereit sind, ein 3D-Druckprojekt zu starten, kontaktieren Sie uns heute und machen Sie Ihr nächstes Projekt möglich.