MMF #3: Создание промышленных петель живого шарнира с кевларовым усилением

MarkForged Mechanical Features (MMF) — это серия постов, дистиллирующая проверенные стратегии для создания традиционных механических деталей с использованием 3D-принтеров MarkForged с композитным усилением.

Одна из постоянных проблем технологий FFF и CFF — более слабая связь вдоль вертикальной оси. Слои наслаиваются друг на друга, и межслойная адгезия часто ведет себя как шов, ограничивая прочность на разрыв. На Mark Two непрерывные волокна идут параллельно строительной пластине, давая выдающуюся в-плоскостную прочность, но оставляя вертикальную ось сравнительно уязвимой. Ключ к преодолению этой анизотропии — геометрия: спроектируйте деталь так, чтобы она испытывала большую часть нагрузки в горизонтальной плоскости, а затем применяйте дизайнерские трюки, распределяющие напряжение более равномерно.

Нейлон MarkForged по своей природе гибок, что открывает дверь к «живым петлям» — гибким секциям, действующим как шарнир без отдельного железа. Усиливая эти петли волокном, мы можем сочетать гибкость нейлона с растяжной прочностью волокон, производя компоненты, которые одновременно легкие и надежные.

Kevlar®, с его уникальным сочетанием высокой растяжной прочности и исключительной гнучестью, идеален для этих приложений. В то время как углеродное волокно и стекловолокно предлагают более высокую жесткость, они имеют тенденцию к растрескиванию на острых углах, необходимых для складывания. Гибкость Кеврала позволяет ему сохранять прочность даже при изгибе в тесные радиусы.

В примере ниже дизайн оптимизирован для избежания избыточного поддерживающего материала и для обеспечения прочности детали во всех направлениях.

Раскладка филамента в Eiger показывает единственный слой концентрических кевляровых узоров. Этот единственный слой достаточно, чтобы поддерживать несколько десятков фунтов, сохраняя петли гибкими.

Чтобы толкнуть пределы, я спроектировал складной кевляровый куб в Autodesk Fusion 360, который мог бы поддерживать вес автора. Куб использует snap-fit соединения и mortise-tenon замки для фиксации граней после складывания.

Каждая грань — отдельный компонент во время дизайна, позволяя точный контроль поведения складывания. Twist-fit вкладки и dovetail-фаски на оставшихся краях позволяют последним двум граням защелкиваться на месте.

После финализации геометрии я сплющил сборку в CAD, захватив нижние профили каждого компонента и выдавив их на 0,875 мм. Эта толщина создает живой шарнир, вмещающий единственный кевляровый слой, обеспечивая и гибкость, и прочность.

Финальная раскладка печати показана ниже. В Eiger концентрические кольца кеврала усиливают первый слой шарнира, в то время как сэндвич-панели на каждой грани еще больше ускоряют структуру.

После печати я собрал куб и протестировал его грузоподъемность. Полностью собранный куб мог поддерживать примерно 130 фунтов (вес автора) без деформации. В более строгом тесте куб выдержал 300–400 фунтов до отцепления соединений, после чего структуру можно было пересобрать без постоянного ущерба.

Эти результаты демонстрируют, что волокнисто-усиленные живые шарниры позволяют создавать 3D-печатные детали, которые прочны, легкие и изотропны. Если вы заинтересованы попробовать эту технику сами, скачайте STL или .mfp файл ниже. Хотите проверить прочность лично? Закажите бесплатный образец детали здесь!