Was ist eine Gitterstruktur im 3D-Druck?
Gitterstrukturen im 3D-Druck, wie man Gitterstrukturen erzeugt und die Vorteile von Gitterstrukturen. Jetzt mehr erfahren!
Einführung
Der 3D-Druck ist für seine leichten Teile und seine Stärke bekannt. Gitterstrukturen im 3D-Druck werden verwendet, um leichte Designs mit komplizierten, sich wiederholenden geometrischen Mustern als Stützstrukturen zu erstellen. Gitter können als interne Stützstrukturen oder als eigenständige Komponenten gedruckt werden. Diese Strukturen können auch zur Vergrößerung der Oberfläche eines Objekts verwendet werden, um die Haftung zu verbessern und die Festigkeit zu erhöhen. Diese komplexen geometrischen Stützstrukturen sind nur im 3D-Druckverfahren möglich.
In diesem Artikel werden die Vor- und Nachteile von Gitterstrukturen für den 3D-Druck erörtert.
Was ist eine Gitterstruktur für den 3D-Druck?
Eine Gitterstruktur ist eine 3D-gedruckte Trägerstruktur mit einer inneren Zusammensetzung aus mehreren ineinandergreifenden Gitterknoten, die auch als "Zellen" bezeichnet werden. Diese Struktur wird häufig verwendet, um Teile leichter zu machen und Stöße effizienter zu absorbieren. Das geometrische Design verleiht 3D-gedruckten Objekten Festigkeit und Steifigkeit und minimiert gleichzeitig den Material- und Zeitaufwand für ihre Herstellung.
Das Konzept basiert auf natürlichen Formen wie Bienenwaben, Spinnennetzen, Hummerschalen und Kieselschwämmen. Die maschinelle Bearbeitung dieser Geometrien war in kleinem Maßstab unmöglich. Die einzigen realisierbaren Beispiele sind massive Bauprojekte wie Brücken und Stahlgebäude.
Für Produktingenieure und Industriedesigner in der 3D-Druckindustrie ist das Verständnis für die Verwendung und Erstellung dieser Strukturen sehr wertvoll. Gitterstrukturen reduzieren die Masse eines Bauteils erheblich und haben unzählige Anwendungen in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie, wo die Verringerung der Masse von Bauteilen direkt zu einer verbesserten Treibstoffeffizienz führt. Andere Sektoren, in denen Gitterstrukturen häufig verwendet werden, sind medizinische Implantate, Prothetik und andere Anwendungen, bei denen Gewicht, Festigkeit, Flexibilität und komplexe Geometrie eine wichtige Rolle spielen.
Erzeugen von Gitterstrukturen
Die komplexen geometrischen Formen, die in Gitterstrukturen verwendet werden, lassen sich in der Entwurfsphase mit computergestützter Konstruktionssoftware (CAD) nicht sinnvoll einbeziehen. Das Teil wird in einem anderen Softwarepaket erstellt.
Generatives Design ist eine weitere Methode zur Erzeugung von 3D-gedruckten Gitterstrukturen. Die Software benötigt detaillierte Bauteilinformationen, einschließlich der zu erwartenden Lasten, Massenbeschränkungen und Verbindungspunkte. Die Software generiert das optimale Gitterdesign sowie die Zellstruktur und -dichte. Zu den Faktoren, die das Teiledesign beeinflussen, gehören das Gittermaterial, die Konstruktion und die Zellausrichtung. Die Materialien können aus einer harten Schale mit einem flexiblen Innengitter zur Stoßdämpfung bestehen. Die Struktur der sich wiederholenden einheitlichen Muster und die Form der Zellen beeinflussen das Endprodukt erheblich. Die Ausrichtung der Zellen kann einen 3D-Druckvorgang erschweren. Stellen Sie sicher, dass die Zellen so ausgerichtet sind, dass keine zusätzliche Unterstützung erforderlich ist.
Es gibt mehrere Arten von 3D-gedruckten Gitterstrukturen. Dazu gehören die folgenden:
Strebengitter - Diese Gitter werden aus einer Kombination miteinander verbundener Balken hergestellt. Strebengitterstrukturen werden durch das Drucken sich überlappender Schichten hergestellt, die ineinandergreifen, um eine Gitterstruktur zu bilden. Die Kreuzungspunkte zwischen den Stäben und Streben werden mit Stützmaterial verstärkt. Dieses Stützmaterial trägt ebenfalls zur Gewichtsreduzierung und zur Erhöhung der Designflexibilität bei. Diese Strukturen sind so konzipiert, dass sie leicht und stabil sind, und werden in der Regel für Anwendungen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilteile, medizinische Implantate und Verbraucherprodukte verwendet.
Planare Gitter - Diese Gitter bestehen aus flachen, zweidimensionalen Schichten, die in Kombination ein dreidimensionales Objekt ergeben. Die Schichten werden in der Regel einzeln gedruckt und müssen in einigen Fällen zusätzlich zusammengesetzt werden, um die gewünschte Form zu erhalten. Zu den häufig im 3D-Druck verwendeten flächigen Strukturen gehören Gitter, Waben und Fachwerke.
TPMS-Gitter - TPMS-Gitter (Triply Periodic Minimal Surface) werden mithilfe einer trigonometrischen Gleichung zur Erzeugung der Zelle erstellt. TMPS-Strukturen können in verschiedenen Formen und Größen hergestellt werden und werden häufig für medizinische Anwendungen wie Orthesen, Prothesen und Implantate verwendet. Sie werden auch in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie und in industriellen Anwendungen eingesetzt.
Vorteile von Fachwerkstrukturen
Die Integration von Gitterstrukturen in 3D-gedruckte Teile hat mehrere Vorteile. Zu diesen Vorteilen gehören die folgenden:
Gewichtseinsparung - Je nach gewähltem Gitter kann die Gewichtseinsparung erheblich sein. Diese Gewichtsreduzierung führt zu Treibstoffeinsparungen in der energiesensiblen Luft- und Raumfahrtindustrie sowie in der Automobilindustrie. Die leichteren Teile verkürzen auch die Genesungszeit von Patienten bei medizinischen Implantaten und Prothesen.
Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis - Wenn sie nach anerkannten Prinzipien konstruiert sind, können Teile mit Gitterstrukturen ein beispielloses Festigkeits-Gewichts-Verhältnis aufweisen. Dieser Vorteil macht sie ideal für Anwendungen in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie, wo es entscheidend ist, die Masse zu minimieren.
Kosteneffektiv - Gitterstrukturen sind mit weniger Material als Teile, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden hergestellt werden, weitaus kostengünstiger als massive Strukturen, was sie zu einer idealen Option für den 3D-Druck macht.
Stoßdämpfung - Gitterstrukturen sind sehr effizient bei der Ableitung von Aufprall- und Stoßbelastungen, da die Zellenkonfiguration dazu beiträgt, dass sich die gesamte Struktur biegt und die Energie verteilt. Komplexe Gittertypen können die Energie in mehrere Richtungen umleiten und besser verteilen, um Aufprallkräfte zu absorbieren.
Zusätzliche Designflexibilität - Gitterstrukturen können in einer Vielzahl von Formen und Größen gestaltet werden, was eine größere Designflexibilität ermöglicht.
Verbesserte Wärmeableitung - Das offene Design von Gitterstrukturen hat eine größere Oberfläche. Dies ermöglicht eine bessere Wärmeableitung, was elektrischen Komponenten und anderen wärmeerzeugenden Objekten zugute kommt.
Ästhetik - Diese geometrischen Designs haben eine besondere Schönheit. Produktdesigner bauen gitterförmige Elemente allein aus ästhetischen Gründen in ihre Entwürfe ein.
Osseointegration: Es gibt Gitterstrukturen, die in medizinischen Implantaten verwendet werden und das Knochenwachstum fördern. Die daraus resultierenden Implantate gehen eine viel stabilere Verbindung mit der Knochenstruktur des Patienten ein.
Sind Gitterstrukturen die zusätzliche Komplexität wert?
Die im 3D-Druck verwendeten Gitterstrukturen bieten die oben genannten zahlreichen Vorteile, die sich erheblich auf Kraftstoffeinsparungen, Produktkosten, Leistungsmerkmale, Attraktivität für den Verbraucher, Effizienz und Nachhaltigkeit auswirken. Mit einer Software, die diese komplexen Strukturen schnell entwerfen kann, und angesichts dieser zahlreichen Vorteile ist es offensichtlich, dass die Einbeziehung von Gitterstrukturen den zusätzlichen Aufwand bei der Konstruktion definitiv wert ist.
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