Механические особенности Markforged #1: Освоение 3D-печатных петель живого шарнира

Обновление: Погрузитесь глубже в флексурный дизайн, посмотрев наш вебинар о проектировании флексурных элементов и петель живого шарнира.

Оригинальный пост: MarkForged Mechanical Features (MMF) — это серия глубоких постов, делящихся лучшими практиками для проектирования общих инженерных деталей и механических фич для композитно-усиленной 3D-печати с принтерами MarkForged.

Добро пожаловать в первый выпуск MarkForged Mechanical Features! Клиенты регулярно спрашивают, как перевести знакомые механические фичи в 3D-печатные детали, полностью использующие функциональную прочность материалов MarkForged. Чтобы помочь разделить эти знания, мы будем публиковать регулярные статьи по одной инженерной фиче, предлагая практические советы и трюки для максимизации потенциала вашего принтера MarkForged.

Сегодня мы исследуем живые петли. По сути, живая петля — это тонкая, интегральная часть, которая гнется, обеспечивая вращение вокруг одной оси. Вы, вероятно, видели их на повседневных вещах — от крышечек Zahnseide до колпачков шампуня. Их долговечность и простота производства делают их основой в литой под давлением упаковке, и с MarkForged вы можете встраивать их в свои дизайны с промышленной прочностью.

Тех термины — если вы уже комфортно с живыми петлями, не стесняйтесь пропустить этот раздел

Начнем с основ. Ниже приведена маркированная диаграмма образца детали с живой петлей, которую мы обсудим.

Изображение выделяет две гибкие фичи: живую петлю и защелку-флекс. Обе позволяют вращение вокруг одной оси, но служат разным функциям, отраженным в их геометрии.

Для иллюстрации 3D-печатных живых петель я сотрудничал с Беннетом, старшим механическим инженером в MarkForged. Беннет провел три года проектируя электромеханические системы и литые под давлением корпуса в крупной медицинской робототехнической фирме, и он виртуоз SolidWorks с страстью приносить строгий механический дизайн в 3D-печать. Недавно он создавал живые петли в офисе.

Беннет: Я начал печатать живые петли после того, как мой брат — инженер в Bay Area — попросил меня прототипировать его дизайны на Mark Two. Его работа в потребительской электронике сильно опирается на защелки и петли. SLA-прототипы отличны для визуализации формы и посадки, но хрупки и ломаются после одного использования, делая их непригодными для функционального тестирования. Традиционные литые под давлением прототипы дороги и медленны, мешая быстрой итерации. Мой брат прислал мне STL файлы, и я настроил их в Eiger для печати на Mark Two в тот же день.

Работа над его деталями пробудила мой интерес к экспериментам с параметрами дизайна для живых петель Mark Two. Поле ниже показывает упрощенную модель, включающую руководящие принципы, которые я разработал во время этого сотрудничества.

Nick: Один из ключей к успешной печати живых петель — правильная ориентация детали в Eiger. Будь то чистый нейлон (для гибкости) или кевляро-усиленный нейлон (для более высокой несущей жесткости), боковой профиль петли должен выравниваться с осью Z. Другими словами, полный боковой профиль должен лежать плоско в плоскости XY.

Правильная ориентация важна, потому что 1) волокна могут быть уложены только в плоскости XY, поэтому выравнивание петли позволяет кевралу идти вдоль её длины, и 2) растяжная прочность нейлона в слое при печати далеко превосходит межслойную адгезию. Эти факторы делают необходимой ориентацию, показанную на скриншоте Eiger ниже.

Частая проблема для новых пользователей — понимание анизотропии 3D-печатных деталей.

Тех термины

Материальная анизотропия относится к направленно-зависимым механическим свойствам. Например, дерево легко раскалывается вдоль волокон, но сопротивляется резке поперек. Изотропные материалы, как многие металлы, демонстрируют равномерные свойства независимо от ориентации.

/Тех термины

Беннет: Как отметил Nick, FFF дает пиковую прочность в плоскости XY. Усталостная устойчивость нейлона еще больше повышает долговечность петель. Следовательно, оптимальное поперечное сечение петли лежит в горизонтальной плоскости XY. Толстые петли увеличивают жесткость. В этом примере крышка требует полных 180° движения, в то время как защелка-петля нуждается в меньшем вращении, но должна надежно держать крышку закрытой. Я спроектировал крышку-петель максимально тонкой, а защелку-петлю толще для жесткости, моделируя крышку в открытом на 90° нейтральном состоянии и защелку слегка закрытой для помощи в snap-in. Имейте в виду, что 3D-печатные гибкие детали имеют тенденцию возвращаться в свое напечатанное состояние, если они не проходят значительную пластическую деформацию.

Затем я импортировал деталь в Eiger, повернул для правильной ориентации и включил волокно. Я использовал концентрическое наполнение для полного встраивания волокна и применил настройки ко всей детали. Eiger пометил недостаточное пространство для волокна из-за моих размеров петли, но более крупная сопла Mark Two разместила волокно и в основании, и в крышке — то, чего Mark One не мог достичь с этим размером. Я также включил настройку брима для поддержки высоких тонких секций во время начальных слоев.

Технические детали

• Толщина крышки-петель: 0,7 мм для максимальной гибкости
• Толщина защелки-петель: 1,2 мм для большей жесткости и надежного замыкания
• Детали смоделированы в открытом и закрытом положениях для валидации радиуса изгиба перед финальной печатью

Готовы попробовать сами? Скачайте файлы SolidWorks Беннета: Living_Hinges CAD SW file и готовый к Eiger STL: Living_Hinges STL.