Design for Additive Manufacturing using customized Lattice Structures

Abstract

Die additive Fertigung (AM) hat die Konstruktions- und Produktionsprozesse in zahlreichen Branchen revolutioniert und ein bisher unerreichtes Maß an Gestaltungsfreiheit in Form und Funktion ermöglicht. Die Ausschöpfung dieses Potenzials hängt jedoch entscheidend von der Fähigkeit ab, komplexe Geometrien wie zelluläre und Gitterstrukturen zu generieren und zu bearbeiten. Diese Strukturen ermöglichen Leichtbau, Materialeinsparungen und die gezielte Optimierung der mechanischen, thermischen und akustischen Eigenschaften. Dennoch stellt die Konstruktion und Umsetzung von Bauteilen, die auf Gitterstrukturen basieren, nach wie vor eine erhebliche rechnerische und methodische Herausforderung dar. Die vorliegende Monografie fasst die Ergebnisse von drei veröffentlichten Forschungsstudien sowie weiterer Forschungen zum Thema "Design for Additive Manufacturing" (DfAM) zusammen und erweitert sie. Der Schwerpunkt liegt auf der vergleichenden Bewertung von CAD-Softwaretools zur Erzeugung von Gitterstrukturen. Es werden maßgeschneiderte Algorithmen zur halb-automatischen Erstellung sowohl von gradientenbasierten und konformen, auf Streben aufbauenden als auch von konstanten, oberflächenbasierten, nicht-konformen Gittern unter Verwendung von Rhino 8 und Grasshopper® entwickelt. Außerdem wird die praktische Umsetzung maßgeschneiderter, Voronoi-basierter Gitterstrukturen im Kontext personalisierter Fahrradsattel-Auflagen erörtert. Der erste Teil der Monografie untersucht den aktuellen Stand der CAD-Software und bewertet die Leistung, Benutzerfreundlichkeit und Funktionalität wichtiger Systeme wie nTopology, Rhino/Grasshopper®, Altair Inspire und Carbon Design Engine Pro. Ziel ist es, die am besten geeigneten Werkzeuge für anspruchsvolle Anwendungen im Bereich des Gitterdesigns zu ermitteln. Im zweiten Teil wird ein neuartiger algorithmischer Rahmen für die parametrische Generierung von Gitterstrukturen vorgestellt. Dieser Rahmen wurde in Grasshopper® implementiert und durch mechanische Validierung überprüft. Im dritten Teil wird die Anwendung dieser Methoden bei der Entwicklung und Herstellung maßgeschneiderter Fahrradsattel-Auflagen demonstriert. Diese wurden mittels AM unter Verwendung von selektivem Lasersintern (SLS) mit thermoplastischem Polyurethan (TPU) sowie Hot Lithography mit dem flexiblen Photopolymerharz Evolution FL entworfen und gefertigt. Die vorliegende Monografie bietet einen umfassenden Überblick über aktuelle Methoden zur Konstruktion und Umsetzung von Gitterstrukturen für die additive Fertigung. Dies geschieht durch die Integration von Benchmarking, Algorithmenentwicklung und anwendungsorientiertem Design. Die vorgestellten Ergebnisse verdeutlichen das Zusammenspiel zwischen computergestützten Konstruktionsumgebungen, algorithmischer Steuerung und prozessspezifischem Materialverhalten. Diese Erkenntnisse tragen zu einem tieferen Verständnis von DfAM-Strategien bei und veranschaulichen einen schlüssigen Weg vom digitalen Entwurf bis zur Realisierung funktionsfähiger Produkte.

Additive manufacturing (AM) has transformed design and production processes across numerous industries, introducing an unprecedented degree of freedom in form and function. However, the full exploitation of this potential depends critically on the ability to generate and manipulate complex geometries such as cellular and lattice structures. These structures enable lightweight designs, material savings, and the tailoring of mechanical, thermal, and acoustic performance, yet their design and implementation still present significant computational and methodological challenges. This monograph consolidates and extends the results of three published research studies and additional research on Design for Additive Manufacturing (DfAM), focusing on the comparative evaluation of Computer-Aided Design (CAD) software tools for lattice structure generation, the development of custom algorithms for semi-automatic creation of both gradient and conformal strut-based and constant, surface-based, non-conformal lattices using Rhino 8 and Grasshopper®, and the practical implementation of customized, Voronoi-based lattice structures in the context of personalized bike saddle pads. The first part of the monograph investigates the current state of CAD software and evaluates the performance, usability, and functionality of major systems such as nTopology, Rhino/Grasshopper®, Altair Inspire, and Carbon Design Engine Pro, identifying the most suitable tools for advanced lattice design applications. The second part presents a novel algorithmic framework for the parametric generation of gradient, conformal as well as constant, surface-based, non-conformal lattice structures, implemented in Grasshopper® and verified through mechanical validation. The third part demonstrates the application of these methods in the development and production of customized bike saddle pads, designed and manufactured by means of AM using selective laser sintering (SLS) with thermoplastic polyurethane (TPU) as well as Hot Lithography with the flexible photopolymer resin Evolution FL. The fourth part presents a novel approach to multi-material printing of surface-based lattice structures using a custom MSLA process resulting in tunable part properties. By integrating benchmarking, algorithmic development, and application-driven design, this monograph provides a comprehensive overview of contemporary methodologies for designing and implementing lattice structures for AM. The presented results highlight the interplay between computational design environments, algorithmic control, and process-specific material behavior. Together, these findings contribute to a deeper understanding of DfAM strategies and illustrate a coherent path from digital design to functional product realization.