Ваши самые прочные детали с 3D-печатью из углеродного волокна - изотропная заливка, часть 1

Обновление:если вы хотите узнать больше о том, как разные заливки могут укрепить вашу роль разными способами, и о научных достижениях, присоединяйтесь к нам 21 июня в 11:00 по восточноевропейскому времени для участия в вебинаре (зарегистрируйтесь здесь)!

Примечание писателя. Это первая из двух статей об использовании шаблона заливки изотропным волокном Эйгера для создания чрезвычайно прочных деталей с помощью Mark Two. В этой статье мы рассмотрим, как приблизить высокопрочные шаблоны укладки традиционных композитов с помощью принтера Markforged. В следующем посте мы рассмотрим, как использовать эти стратегии для максимальной прочности усиленных деталей. В этом посте мы собираемся получить немного больше технических подробностей, чем обычно в нашем блоге, но мы будем использовать терминологию медленно (мы включили короткий глоссарий терминологии композитов), и мы думаем, что вы оцените более глубокое понимание того, как эффективно проектировать армированный композитом высокопрочный 3D-принтер.

Фон из композитов

Композитные 3D-принтеры Markforged позволяют нашим клиентам создавать промышленные 3D-печатные детали, армированные композитными волокнами для получения свойств, аналогичных квазиизотропным композитным ламинатам, в высокоавтоматизированной системе 3D-печати. Квазиизотропные детали, напечатанные на 3D-принтере, имеют различные характеристики материала по разным осям, и, изменяя ориентацию волокон в нашем программном обеспечении для резки Eiger, вы можете создавать прочные детали, которые выдерживают определенные нагрузки, которым они могут подвергаться.

Свойства высокопрочного изотропного материала * упрощают проектирование инженерных деталей - если материал имеет одинаковые свойства во всех направлениях, то создание детали, достаточно прочной для предполагаемого применения, является не более чем вопросом геометрии. В случае, если свойства материала будут отличаются по разным осям (как в случае с 3D-печатью), квазиизотропный * материал является следующим лучшим вариантом, поскольку существует разница в прочности только по одной оси, которую необходимо учитывать, и для этого потребуется гораздо меньше времени и проектные работы по оптимизации прочности детали по сравнению с полностью анизотропным * материалом. См. Общую терминологию для ориентации свойств композитного материала ниже для более глубокого обсуждения вариаций свойств материала. Обратите внимание, что для удобства и с учетом того, что все детали, напечатанные на 3D-принтере, будут иметь разные свойства материала в направлении Z (ось, перпендикулярная плоскости печати), Markforged отказался от «квази-» от «квазиизотропного» при описании нашего «изотропного» материала. Тип заполнения волокна.

Составной терминологический глоссарий

• Изотропные материалы - иметь однородные свойства материала во всех направлениях, независимо от материала или ориентации наблюдения. Большинство (но не все) металлов, как правило, обладают сильно изотропными свойствами.
• Анизотропия - общее состояние наличия зависимых от направления свойств. Материал, характеризуемый как анизотропный, не демонстрирует свойства быть изотропным, но такая общая классификация не дает никакой информации о том, как или по каким осям материал зависит от направления. Живая часть шарнира, которую мы продемонстрировали ранее, является отличным примером, поскольку она содержит элементы изгиба, а также более жесткие, усиленные кевларом области.
• Ортотропные материалы - например, дерево, демонстрируют свойства, которые различаются по трем взаимно ортогональным (под углом 90 градусов друг к другу) осям. Хорошим примером является древесина, поскольку она имеет тенденцию легко раскалываться по линиям волокон, но ее трудно резать или раскалывать в других направлениях.
• Квазиизотропные материалы - часто являются приблизительно или изотропными материалами по двум осям, но имеют разные свойства в третьем направлении. Это точное общее описание 3D-печатных деталей Markforged, которые включают узор армирования «Изотропное волокно», в основном без учета значений, используемых в свойстве «Углы волокна», описанном ниже.
• Поперечно-изотропные материалы - являются подмножеством квазиизотропных материалов и относятся, в частности, к материалам, в которых изотропия возникает в поперечной плоскости детали (подумайте об однородных свойствах в каждом слое - плоскости XY - детали, напечатанной на 3D-принтере), с различными свойствами материала вдоль единственная ось (ось Z в детали, напечатанной на 3D-принтере). Для 3D-принтера Markforged это очень близко приближается при использовании шаблона заполнения изотропным волокном и значений по умолчанию «Угол волокна», описанных ниже.

Традиционные термореактивные композиты (большинство потребительских применений углеродного волокна используют этот тип композитов) состоят из десятков и тысяч уложенных друг на друга слоев однонаправленного композитного материала (часто в виде тканого полотна или однонаправленной ленты), ориентированных в виде рисунка в разных направлениях; Составные дизайнеры используют структуру номенклатуры в форме «кода ориентации», чтобы обеспечить упрощенный способ описания этих повторяющихся шаблонов. Каждый последующий слой обычно поворачивается на некоторый угол (часто 45 градусов) относительно нижележащего слоя, и поскольку композитные волокна, составляющие тканую ткань в каждом слое, являются самыми прочными в направлении их растяжения, при вращении ткани каждый слой дает деталь с намного более высокая разнонаправленная объемная прочность и жесткость, чем если бы ткань была уложена в одном и том же направлении на каждом слое.

Отличный учебник по составным кодам ориентации можно найти в этой презентации Военно-морской академии США. Традиционный код ориентации описывается серией углов, заключенных в квадратные скобки и разделенных косой чертой, для обозначения различных углов, используемых в конкретной стратегии компоновки. Например, в шаблоне заливки изотропным волокном Эйгера по умолчанию используется код ориентации [0/45/90/135], что означает, что первый слой армирования волокном печатается однонаправленным узором под углом 0 градусов к горизонтали. Второй слой волокна поворачивается на 45 градусов от горизонтали, и эта последовательность продолжается до тех пор, пока код не будет завершен, после чего шаблон снова начнется с горизонтали. Eiger также предлагает нашим клиентам возможность разрабатывать собственные коды ориентации с любой повторяющейся длиной. Следует отметить, что, хотя каждый отдельный слой обладает высокой степенью анизотропии с гораздо более высокой прочностью в направлении по длине отдельных композитных волокон, добавление нескольких слоев композитного материала с направлением вращения быстро увеличивает прочность в нескольких направлениях, в результате чего в части, которая является изотропной как объемный объект.

Улучшенные возможности

3D-принтер Mark Two был разработан для надежного производства высокопрочных армированных волокном деталей с геометрией в 15 раз меньше, чем у Mark One, но наши обновленные программные алгоритмы также дают ему значительно улучшенные возможности для создания армированных деталей с высокопрочными квазиизотропными свойствами с использованием наших '' Тип заполнения Isotropic Fiber.

Вы заметите на изображении выше, на внешней панели конфигурации волокна «Вид части» в Eiger, что есть поле ввода для «Углы волокна». Это представление кода ориентации, упомянутого выше, и является одним из способов быстрого управления высокоуровневыми свойствами объемного материала армированной волокном детали в Эйгере. Код по умолчанию [0/45/90/135], который использует Эйгер, будет создавать поперечно изотропную деталь (см. Рамку терминологии выше), если вы укрепите каждый слой детали с помощью заливки изотропного волокна. Чтобы ввести код ориентации в Eiger, просто введите углы различных ориентаций волокон, которые вы хотите использовать в своем шаблоне, в поле «Fiber Angle», разделенные запятыми, как на изображении выше.

Усовершенствованные алгоритмы прокладки волокна также позволяют Mark Two печатать изотропное волокно с использованием углеродной нити Markforged, а также нашей новой высокопрочной, высокотемпературной (HSHT) нити из стекловолокна - варианты, которые не были доступны с Mark One из-за технических ограничений. Сам алгоритм был обновлен по сравнению с его аналогом Mark One - если вы используете 2D Internal View Эйгера для просмотра слоя с заливкой Isotropic Fiber, нарезанной для Mark Two, вы заметите, что новый алгоритм позволяет использовать гибридный тип заливки с концентрическими кольцами на внешняя сторона детали и изотропное заполнение под заданным углом ориентации во внутренней области детали. Это позволяет получить деталь с улучшенной внешней обработкой поверхности, сохраняя при этом высокую общую прочность и жесткость внутри. Используя эту стратегию, можно получить самые прочные детали с помощью 3D-печати из углеродного волокна.

Более точный контроль самых сильных частей

Параметры волокна External View хороши для быстрого армирования, но если вам нужен больший контроль над прочностью ваших деталей, вы также можете редактировать коды ориентации определенных групп слоев в 3D Internal View детали в Eiger. Для начала выберите деталь из своей библиотеки Eiger и войдите во внутренний вид, который по умолчанию приведет вас к трехмерному виду.

Оказавшись внутри внутреннего 3D вида, выберите уже существующую группу волоконных слоев на панели слоев, щелкнув по ней.

Чтобы создать новую группу, щелкните панель слоев в начальной или конечной точке желаемой группы и, удерживая кнопку мыши, перетаскивайте нужные слои в группе. Затем просто нажмите «Применить изменения» в верхнем правом поле управления слоем, чтобы создать новую группу.

Если вас не устраивают слои, выбранные для группы, вы всегда можете перетащить треугольные разделители группы слоев, чтобы изменить размер слоя. После того, как вы выбрали определенную группу слоев, которая настроена на использование заливки изотропным волокном, вы заметите, что поле «Углы волокна», отображаемое во внешнем виде детали, также отображается в поле управления слоем в правом верхнем углу. Этот параметр позволяет вам управлять кодами ориентации волокон на том же уровне, что и во внешнем виде детали, за исключением того, что вместо того, чтобы применять код ориентации глобально ко всему волокну во всей детали, поле Углы волокна в редакторе внутреннего 3D-вида будет позволяют изменять код ориентации только для выбранной группы слоев. Это дает вам возможность адаптировать размещение высокопрочного волокна к конкретной геометрии вашей детали.

И это все - Eiger позволяет невероятно просто быстро настроить различные слои армирования волокном в детали!

Прочтите часть 2 этого сообщения здесь - мы расскажем вам о лучших стратегиях оптимизации where вам следует использовать армирующее волокно, чтобы максимизировать прочность детали для наиболее эффективного использования волокна!

Хотите узнать больше? Запросите демонстрацию Mark Two сегодня!