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Gyoroid als geeignete Füllstruktur fuer AM

gyroid_singlecell

Die Gyroid Fläche ist eine mathematische Fläche, die sich ggf. als Füllstruktur für Bauteile anbietet, die im 3D Druckverfahren hergestellt werden (“Additive Manufacturing”).

Vorteile:

  • Geringer Materialbedarf und somit geringes Gewicht,
  • in allen Richtungen nahezu gleiche Festigkeitseigenschaften (Formstabilität),
  • geeignet für 3D-Druck, da keine Stützstruktur erforderlich.

Nachteile:

  • komplexe Geometrie und hoher Rechenaufwand beim Erstellen der Geometrie,

  • CAD Modelle werden sehr groß und erreichen schnell die Machbarkeitsgrenze mit herkömmlichen CAD Systemen,

  • mathematische Fläche mit herkömmlichen CAD Systemen nicht 1:1 umsetzbar (Probleme: Flächen-Singularität, Tangentenstetigkeit, Flächen-Offset für Volumserzeugung problematisch, etc…), daher muß hier ein machbarer Kompromiss gefunden werden,

Bauteil-Konstruktion:

Die Formstabilität wird dadurch erreicht, die tragende Struktur in Abhängigkeit vom vorhandenem Bauraum möglichts weit von der neutralen Faser anzuordnen (übliche Konstrutionspraxis). Das ergibt dann einen “voluminösen” Bauteil mit dünnwandiger Außenhaut. Damit die dünne Wand (“Shell”) unter Last nicht kollabiert, wird innen ein Stützstuktur eingebaut.

Probleme dabei:

  • Skalierung der Stützstrucktur erforderlich, hier sind mehrere Kompromisse einzugehen:

    • Skalierung aufgrund der minimal erforderlichen Wandstärke für AM,
    • Skalierung aufgrund Machbarkeitsgrenue mit CAD System (Modellgröße)

  • Schleifende Schnitte im Übergangsbereich Stützstruktur zur Wand (“Shell”)

  • Durchbrüche in der Außenhaut erforderlich, um das Pulver nach dem Druck zu entfernen,

  • Anordnung der Stützstrukur in Abhängigkeit zur Bauteilausrichtung / Lagenaufbau (“Build-Platform”)

gyroid_lattice

Hier als Beispiel ein auskonstruiertes Volumen, mit Gyroid-Füllstruktur (“Lattice-Structure”) und beschnitten mit dem Bauteil-Volumen.

Mögliche Anwendungen:

  • Halter, Befestigungen, Träger, etc. …
  • Wärmetauscher / Rekuperatoren,
  • Medizintechnik / Implantate,
  • …

Fazit:

Der Gyroid - neben anderen weiteren möglichen mathem. Flächen - eröffnet sicherlich Möglichkeiten bei der Gestaltung von Bauteilen. Die Umsetzung und Darstellung in der Konstruktion und der darauffolgenden Prozeßkette ist jedoch aufwändig und nicht ganz trivial.

Test-Druck aus PLA:

gyroid_testprint

	Drucker:	Ultimaker3 Extended
	Software:	Cura 3.1
	Material:	PLA
	Support:	KEIN SUPPORT
	Auflösung:	1.5
	Infill:		50%
	Wandstärke:	1mm

Begriffserklärungen:

  • AM …. Additive Manufacturing
  • CAD … Computer Aided Design