Home Forschung & Bildung Forscher optimieren Füllstruktur von 3D-gedruckten Objekten nach Vorbild von Knochengewebe

Forscher optimieren Füllstruktur von 3D-gedruckten Objekten nach Vorbild von Knochengewebe

Wissenschaftler haben im Zuge einer Studie untersucht, wie man die Füllstruktur von 3D-gedruckten Objekten optimieren kann. Dazu hat sich das Team den Aufbau von Knochen zum Vorbild genommen.

Trotz ihrer porösen, leichten Struktur sind Knochen unglaublich widerstandsfähig. Diese Tatsache hat sich ein Forscherteam zum Vorbild genommen und auf den 3D-Druck umgelegt. Jun Wu von der TU Delft, Niels Aage und Ole Sigmund von der TU Denmark sowie Rüdiger Westermann von der TU München haben in ihrer Studie mit dem Titel “Infill Optimization for Additive Manufacturing – Approaching Bone-like Porous Structures” einen Algorithmus entwickelt, welcher es ermöglicht Füllstrukturen zu generieren, die der porösen Innenstruktur von Knochen ähneln.

Der Algorithmus baut dabei auf die Topologieoptimierung auf, bei der ein Berechnungsverfahren eine möglichst günstige Grundgestalt für Bauteile unter mechanischer Belastung ermittelt. Bereiche eines Objekts die größeren Belastungen ausgesetzt sind werden mit mehr Material versehen, andere mit weniger. Wie jedoch Forschungsergebnisse zeigten, sind diese optimierten Teile dennoch Materialschädigung sowie den Veränderungen von externen Kräften ausgesetzt. Verstärkt man jedoch den kompletten Innenaufbau mit knochenähnlichen Mikrostrukturen, erhält man ein gutes Gleichgewicht zwischen Effektivität und Stabilität.

Topology optimized infill models. Fabricated by fused deposition modeling.
FDM-gedruckte Modelle mit Topologieoptimierung

Die Wissenschaftler verglichen anhand eines des Oberschenkelknochen ähnlichen Designs die drei verschiedenen Ansätze: links Topologieoptimierung, Mitte Knochen-Infill und rechts Standard Infill. Der Wert der absoluten Steifigkeit (c), soll so gering wie möglich sein.

Bislang hat das Team Objekte sowohl mit FDM als auch SLS-Druck gefertigt und getestet. Laut Professor Wu könnte der Algorithmus in der Konstruktion, also CAD-Software Anwendung finden. Ein Softwarepaket der entwickelten Infill-Optimierung wird in Kürze erhältlich sein, während eine Testversion bereits auf Anfrage zur Verfügung steht.

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