3D-gedruckte Gitterstrukturen gehören zu den größten Verkaufsargumenten der additiven Fertigung. Sie lassen sich mithilfe des einzigartigen 3D-Druckverfahrens einfach herstellen und bieten viele praktische Vorteile.
Gitterstrukturen sind im Wesentlichen Füllmuster – Methoden zur Strukturierung der inneren Geometrie eines 3D-gedruckten Bauteils. Anstatt einen massiven Block aus Kunststoff oder Metall zu drucken, können Ingenieure überlappende, ineinandergreifende, teilweise hohle Muster verwenden. Bei korrekter Konstruktion können diese Gitter die mechanischen Eigenschaften eines Bauteils deutlich verbessern und es leichter und stabiler machen.
Wichtig ist, dass Gitterstrukturen mit jedem professionellen 3D-Drucker hergestellt werden können. Noch wichtiger ist jedoch, dass diese Strukturen mit keiner anderen Fertigungstechnologie adäquat produziert werden können. Subtraktive Verfahren können das Innere eines Bauteils nicht bearbeiten, ohne die Außenseite zu durchtrennen, und Formen werden einfach mit flüssigem Material „gefüllt“ – man kann nicht wie beim 3D-Druck gezielt steuern, wie das Material in die Form fließt.
Dieser Artikel untersucht, wie 3D-gedruckte Gitterstrukturen hergestellt werden und warum sie in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrtindustrie immer nützlicher werden.
Wie stellt man ein 3D-gedrucktes Gitter her?
Gitterkonstruktionen sind allgegenwärtig, beispielsweise bei Brücken und Fachwerkhäusern. Der Eiffelturm ist wohl das weltweit bekannteste Beispiel für eine Gitter- oder Fachwerkkonstruktion; seine sich überlappenden Balken bilden eine stabile, aber weitgehend hohle Struktur.
Eine solche Struktur lässt sich in einem 3D-gedruckten Bauteil nachbilden. Die manuelle Konstruktion des Gittergerüsts ist in der Regel nicht notwendig: Es existieren verschiedene Werkzeuge zur Gittergenerierung, die automatisch Gittermuster anhand der vom Benutzer gewählten Parameter erstellen. Zu den kommerziell erhältlichen Werkzeugen gehören Topology, Autodesk Within und Meshify.
Aber nicht alle Gitter sind gleich. Tatsächlich unterscheiden sich Gitterstrukturen in vielerlei Hinsicht, wobei die wichtigsten Unterschiede im Folgenden beschrieben werden.
Zellstruktur
Zellen sind die einzelnen Bausteine einer Gitterstruktur. Sie sind üblicherweise als geometrische Formen wie Würfel, Sterne, Sechsecke, Achtecke usw. erkennbar, wobei für bestimmte mechanische Anwendungen auch mehrere Formen kombiniert werden können. Manchmal sind die Zellen völlig uneinheitlich und weisen kein erkennbares Muster auf.
Letztendlich beeinflusst die Zellstruktur – sowohl ihre Form als auch ihre Größe – das Verhalten eines Bauteils in Bezug auf Festigkeit, Gewicht, Elastizität und andere Faktoren.
Zellorientierung
Die Festlegung von Struktur und Größe der Zellen ist nur die halbe Miete. Die Formen innerhalb eines Gitters können unterschiedlich ausgerichtet sein, was sich auch auf die endgültige Leistung des Bauteils auswirkt. Die Ausrichtung sollte zudem durch Druckbeschränkungen bestimmt werden: Bestimmte Ausrichtungen erfordern beispielsweise mehr Stützstrukturen.
Gittermaterial
Nicht alle Materialien eignen sich für den Druck aller Gitterstrukturen. Weiche und elastische Materialien sollten generell nicht mit großen Zellstrukturen gedruckt werden, da die großen porösen Bereiche zum Durchhängen des Bauteils führen können. In den meisten Fällen besteht das Gittermaterial aus demselben Material wie die Hülle oder das Außenmaterial, wobei Mehrextruderdrucker diesbezüglich eine gewisse Flexibilität bieten.
Welche Vorteile bietet ein 3D-gedrucktes Gitter?
Durch die Integration von Gitterstrukturen in 3D-gedruckte Teile können Ingenieure Vorteile wie Gewichtsreduzierung, verbesserte Bauteilfestigkeit und Stoßdämpfung erzielen.
Gewichtsreduzierung ist wohl der wichtigste dieser Vorteile und der Hauptgrund, warum Ingenieure so bestrebt sind, ihre gedruckten Strukturen mit strukturierten Innengeometrien zu optimieren. Ein wesentliches Merkmal von Gitterstrukturen ist ihre teilweise Hohlheit: Die Zellen enthalten Hohlräume, sodass ein Bauteil mit internem Gittermuster insgesamt weniger Material benötigt als ein gleichwertiges Bauteil mit massiver Füllung.
Weniger Material bedeutet weniger Masse, was für Anwender additiver Fertigung in Branchen wie der Automobil- und Luftfahrtindustrie ein enormer Vorteil ist, da schon wenige Gramm weniger die Bauteilleistung erheblich verbessern können. Tatsächlich findet ein Großteil der spannendsten Gitterwerkstoffforschung in der Luftfahrt statt, wo Unternehmen wie Boeing ultraleichte, hochentwickelte Gitterwerkstoffe entwickelt haben.
Weniger Material bedeutet auch geringere Kosten. Durch die Verwendung von Gitterstrukturen können Ingenieure hochwertigere Bauteile herstellen, die tatsächlich weniger kosten als minderwertige.
Der Sinn von Gitterstrukturen besteht darin, die Masse zu reduzieren, ohne die Stabilität des Bauteils zu beeinträchtigen. Während willkürliche Löcher in ein Bauteil dieses spröder und bruchgefährdeter machen könnten, sind 3D-gedruckte Gitterstrukturen so konzipiert, dass das Material optimal genutzt wird. Dadurch stellen die Hohlräume keine Schwachstellen, sondern selbst eine Verstärkung dar.
Teilhohle Bauteile mit Gitterstrukturen können sogar stabiler sein als ihre massiven Pendants, da die Hohlräume im Gitter die Stoßdämpfung verbessern und die Aufprallspannung reduzieren. Bauteile mit großzelligen Gitterstrukturen sind hochflexibel und elastisch, wodurch Sprödigkeit und Bruchgefahr verringert werden.
Weniger wichtig, aber dennoch bemerkenswert, ist die Ästhetik von Gitterstrukturen. Diese komplexen Muster zählen zu den beeindruckendsten Formen, die Ingenieure mit einem 3D-Drucker herstellen können. Daher sind Bauteile mit gedruckten Gitterstrukturen oft ebenso optisch ansprechend wie praktisch.
Vorteile von 3D-gedruckten Gitterstrukturen – Zusammenfassung:
- Leichtgewicht
- Geringerer Materialverbrauch
- Strong
- Stoßdämpfend
- Ästhetisch
Können CNC-Maschinen Gitterstrukturen herstellen?
Kurz gesagt: Nein. CNC-Maschinen und andere subtraktive Fertigungstechnologien können keine dreidimensionalen Gitterstrukturen herstellen, da sie mit Schneidwerkzeugen Material von einem massiven Block abtragen. Eine CNC-Maschine könnte zwar die Hohlräume der ersten Gitterzellenreihe herausschneiden, stößt dann aber an ein Hindernis. Die nächste Reihe von Hohlräumen kann nicht bearbeitet werden, da die massiven Bereiche im Weg sind.
Ein 3D-Drucker hat dieses Problem nicht, da er Teile schichtweise oder querschnittlich fertigt und sie so von Grund auf aufbaut, anstatt sie aus einem massiven Block herauszuschneiden. Additive Fertigung ist daher bei Weitem nicht die beste Technologie zur Herstellung von Gitterstrukturen.
Zu beachten ist jedoch, dass CNC-Maschinen effektiv 2D-Gitterstrukturen wie Gitter erzeugen können und dass diese speziell CNC-gefrästen Gitter sogar stabiler sein können als 3D-gedruckte Gitter.
Welche praktischen Anwendungen gibt es für 3D-gedruckte Gitterstrukturen?
3D-gedruckte Gitterstrukturen finden bereits in vielen Branchen Anwendung, da Ingenieure und Produktdesigner im gesamten kommerziellen Bereich ständig nach Möglichkeiten suchen, Bauteile leichter und gleichzeitig stabiler zu gestalten.
Gewichtsreduzierung ist insbesondere in der Luft- und Raumfahrt- sowie der Automobilindustrie wichtig , da schwere Bauteile in der Regel die Fahrzeuggeschwindigkeit verringern und zu einem höheren Kraftstoffverbrauch führen. Leichtbauteile sind daher weitaus wünschenswerter.
Da Fachwerkkonstruktionen in der Architektur seit Jahrhunderten existieren, ist es nicht verwunderlich, dass miniaturisierte Versionen von Gitterstrukturen auch in der heutigen Architektur immer beliebter werden . Und weil Gitterstrukturen präzise konstruiert werden können, haben Forscher sogar Wege gefunden, dreidimensionale Muster zu erzeugen, die den Lärm reduzieren und potenziell die Dämmstoffe für Gebäude verbessern.
3D-gedruckte Gitterstrukturen finden sich auch in Kleidung und Schuhen . Unternehmen wie Adidas verwenden beispielsweise 3D-gedruckte Elastomergitter für die Zwischensohlen ihrer Sneaker. Diese Gitterstrukturen bieten eine leichte Dämpfung mit enormer Rückfederung – deutlich besser und wissenschaftlich fundierter als die allgegenwärtigen „Luftblasen“ der 1990er-Jahre.
3D-gedruckte Gitterstrukturen mit 3ERP
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