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

Veröffentlicht am 3. Mai 2022

Ursprünglich veröffentlicht auf fastradius.com am 3. Mai 2022

Gitterstrukturen sind periodische Gerüste, die sich zu komplexen dreidimensionalen Geometrien zusammenfügen. In der additiven Fertigung eröffnen nachgiebige Gitter eine beispiellose Gestaltungsfreiheit und ermöglichen es Ingenieuren, Formen herzustellen, die zuvor unerreichbar waren.

Bei der Herstellung aus Elastomeren weisen diese Gitter eine bemerkenswerte Verformbarkeit auf. Durch die maßgeschneiderte Architektur können Designer die Steifigkeit, das Knickverhalten und die Energieabsorption genau abstimmen, um den Anforderungen einer Vielzahl von Branchen gerecht zu werden.

Die Erstellung nachgiebiger 3D-Gitter erfordert sowohl Fertigungskompetenz als auch fortschrittliche Designwerkzeuge. Bei SyBridge haben wir eine umfassende Bibliothek von Elastomergittern für zahlreiche Produktkategorien entwickelt und validiert, unterstützt durch umfangreiche Simulationsdaten, die die Struktur mit der mechanischen Leistung korrelieren.

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

Schlüsseldesignelemente für Elastomer-3D-Gitterstrukturen

Bei Elastomergitterprojekten werden in der Regel die folgenden Kernelemente bewertet:

• Geometrie: Die räumliche Konfiguration von Streben und Knoten – einschließlich Elementarzellengröße, Form und Gesamttopologie – bestimmt direkt Lastpfade und Verformungsmodi.
• Steifigkeit / Modul: Diese Metrik ist für kleine, elastische Verformungen definiert und gibt die Kraft an, die zum Erreichen einer bestimmten Dehnung erforderlich ist. Sie ist für lasttragende Anwendungen von entscheidender Bedeutung.
• Knickreaktion: Die Neigung von Gitterelementen, sich unter Druckbelastungen zu verbiegen, bestimmt, ob sich die Struktur elastisch verhält, ein Spannungsplateau aufweist oder zunehmend kollabiert.
• Energiedissipation: Die Fähigkeit, mechanische Energie während der Lade- und Entladezyklen zu absorbieren und abzuleiten, macht bestimmte Gitter ideal für die Stoßdämpfung oder Vibrationsisolierung.

Beispieltypen 3D-gedruckter Gitterstrukturen

Einfaches kubisches Gitter

Dieses Gitter verfügt über eine Elementarzelle von 7,5 mm und eine Fachwerkbreite von 2 mm, was einen Modul von 0,72 MPa ergibt.

Knickreaktion: Zeigt eine deutliche Knickinstabilität; Nach einer Dehnung von ~0,05 erreicht die Spannung bei 25 kPa ein Plateau und eine weitere Verformung erhöht den Modul nicht.

Energieverlust: Das unelastische Knickverhalten erzeugt eine Hystereseschleife und eignet sich daher für Anwendungen, die eine Stoßdämpfung erfordern.

Anwendungen: Dieses Gitter ist ideal für persönliche Schutzausrüstung und als Opferschicht zum Schutz empfindlicher Komponenten und kann auch Lücken zwischen Komponenten in Baugruppen füllen.

Kelvin-Zellengitter

Elementarzellengröße von 10 mm, Fachwerkbreite 2 mm, Modul 0,44 MPa.

Knickreaktion: Es fehlt ein ausgeprägtes Plateau; Die Balken dehnen sich bis zur vollständigen Verdichtung elastisch aus und sorgen so für eine gleichmäßige Kompressionskurve.

Energieverlust: Speichert Energie elastisch und kehrt schnell in seine ursprüngliche Form zurück – verhält sich wie eine elastische Feder.

Anwendungen: Geeignet als Schaumstoffersatz in Produkten mit statischer Kompression wie Sitzkissen und Körperpolstern, und seine sechseckige Geometrie bietet ästhetischen Reiz für modeorientierte Designs.

Körperzentriertes Gitter

Elementarzellengröße 10 mm, Fachwerkbreite 2 mm, Modul 0,07 MPa.

Knickreaktion: Zeigt ein progressives Dehnverhalten mit zunehmender Kraft pro Verschiebung bis zur vollständigen Verdichtung; Es wird kein Spannungsplateau beobachtet.

Energieverlust: Ähnlich wie die Kelvin-Einheit verhält es sich wie eine Feder und nimmt nach der Belastung wieder seine Form an.

Anwendungen: Die elastische Reaktion bei hoher Belastung macht es ideal für den Ersatz von statischem Kompressionsschaum, während die abgewinkelten Streben für eine gleichmäßige mechanische Leistung sorgen.

Körperzentriertes kubisches (BCC) Gitter

Diese Hybridstruktur kombiniert körperzentrierte und einfache kubische Topologien mit einer Elementarzelle von 7,5 mm und einer Fachwerkbreite von 1 mm. Der resultierende Modul beträgt 0,23 MPa – höher als bei den einfachen kubischen und raumzentrierten Gittern allein.

Knickreaktion: Das BCC-Gitter erbt die Knickung von der einfachen kubischen Komponente und zeigt ein Plateau bei 0,12 MPa, dennoch ist sein Verhalten nach der Knickung stabiler.

Energieverlust: Durch die Mischung von Elastizitäts- und Knickmodi ermöglicht das BCC-Gitter eine präzise Abstimmung der Energiespeicherung und -abgabe für bestimmte Anwendungsfälle.

Anwendungen: Ideal für Produkte, die eine maßgeschneiderte Kombination aus elastischer Elastizität und kontrollierter Energiedissipation erfordern und eine vorhersehbarere Reaktion bieten als reine Knickgitter.

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Die vier oben hervorgehobenen Gitter kratzen nur an der Oberfläche dessen, was mit dem Elastomer-3D-Gitterdesign erreicht werden kann. Wenn Sie bereit sind, ein 3D-Druckprojekt in Angriff zu nehmen, kontaktieren Sie uns noch heute und machen Sie Ihr nächstes Projekt möglich.