Suas peças mais fortes com impressão 3D de fibra de carbono - Preenchimento isotrópico Parte 1

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Nota do escritor:este é o primeiro de um post de duas partes sobre o uso do padrão de preenchimento de fibra isotrópica de Eiger para fazer peças extremamente fortes com um Mark Two. Nesta postagem, vamos revisar como aproximar os padrões de lay-up de alta resistência de compostos tradicionais com uma impressora Markforged. Na postagem de acompanhamento, abordaremos como usar essas estratégias para obter força máxima em suas partes reforçadas. Vamos ser um pouco mais técnicos nesta postagem do que normalmente fazemos em nosso blog, mas vamos devagar com a terminologia (incluímos um pequeno Glossário de Terminologia de Compostos), e achamos que você apreciará uma compreensão mais aprofundada sobre como projetar com eficácia para impressão 3D de alta resistência e reforçada com compósito.

Um histórico de compósitos

As impressoras 3D compostas de fio contínuo da Markforged permitem que nossos clientes criem peças impressas em 3D de força industrial, reforçadas com fibras compostas para produzir propriedades semelhantes aos laminados compostos quase isotrópicos, em um sistema de impressão 3D altamente automatizado. As peças impressas em 3D quase isotrópicas têm características de material variadas ao longo de diferentes eixos e, ao variar a orientação da fibra em nosso software de fatiamento Eiger, você pode projetar peças fortes para resistir a aplicações de carregamento específicas às quais a peça pode ser exposta.


As propriedades do material isotrópico de alta resistência * facilitam o projeto da peça de engenharia - se um material tem as mesmas propriedades em todas as direções, então fazer uma peça que seja forte o suficiente para a aplicação pretendida nada mais é do que uma questão de geometria. No caso em que as propriedades do material irão diferem em diferentes eixos (como é o caso na impressão 3D), um material quase isotrópico * é a próxima melhor opção, uma vez que há uma diferença de resistência ao longo de apenas um eixo que deve ser levada em consideração e exigirá muito menos tempo e trabalho de design para otimizar a resistência da peça do que com um material completamente anisotrópico *. Consulte a terminologia comum para orientação de propriedade de material composto abaixo para uma discussão mais aprofundada das variações nas propriedades do material. Observe que, por conveniência, e com o entendimento de que todas as peças impressas em 3D terão propriedades de material diferentes na direção Z (o eixo normal ao plano da mesa de impressão), Markforged descartou o 'quase' de quase isotrópico ao descrever nosso 'Isotrópico Tipo de preenchimento de fibra.

Glossário de terminologia composta

• Materiais isotrópicos - têm propriedades de material uniformes em todas as direções, independentemente do material ou da orientação de observação. A maioria (mas não todos) dos metais tende a ter propriedades altamente isotrópicas.
• Anisotropia - um estado geral de propriedades direcionalmente dependentes. Um material caracterizado como anisotrópico não demonstra a propriedade de ser isotrópico, mas tal classificação geral não oferece qualquer informação sobre como ou ao longo de quais eixos o material é direcionalmente dependente. A dobradiça viva que demonstramos anteriormente é um ótimo exemplo, pois contém elementos de flexão, bem como regiões mais rígidas e reforçadas com Kevlar.
• Materiais ortotrópicos - como a madeira, demonstram propriedades que diferem ao longo de três eixos mutuamente ortogonais (em ângulos de 90 graus entre si). A madeira é um bom exemplo porque tem a tendência de se dividir facilmente ao longo das linhas de grão, mas é difícil de cortar ou dividir em outras direções.
• Materiais quase isotrópicos - frequentemente são materiais aproximados ou isotrópicos em dois eixos, mas têm propriedades diferentes em uma terceira direção. Esta é uma descrição geral precisa das peças impressas em 3D Markforged que incluem o padrão de reforço de ‘Fibra Isotrópica’, principalmente sem levar em consideração os valores usados ​​na propriedade ‘Ângulos de fibra’ descritos abaixo.
• Materiais isotrópicos transversais - são um subconjunto de materiais quase isotrópicos e referem-se especificamente a materiais em que a isotropia ocorre no plano transversal de uma peça (pense nas propriedades uniformes em cada camada - o plano XY - de uma peça impressa em 3D), com diferentes propriedades de material ao longo um único eixo (o eixo Z em uma peça impressa em 3D). Com uma impressora 3D Markforged, isso se aproxima muito ao usar o padrão de preenchimento de fibra isotrópica e os valores padrão de 'Ângulos de fibra' descritos abaixo.

Os compósitos termofixos tradicionais (a maioria dos usos de fibra de carbono pelo consumidor emprega este tipo de compósito) são feitos de dezenas a milhares de camadas empilhadas de material compósito unidirecional (frequentemente na forma de tecido ou fita unidirecional) orientado em um padrão de direções diferentes; designers de compostos empregam uma estrutura de nomenclatura na forma de um "código de orientação" para fornecer uma maneira simplificada de descrever esses padrões de repetição. Cada camada sucessiva é geralmente girada em algum ângulo (muitas vezes 45 graus) em relação à camada abaixo, e uma vez que as fibras compostas que constituem o tecido em cada camada são mais fortes em sua direção de tração, girando o tecido, cada camada produz uma parte com um muito mais alta resistência e rigidez multidirecional do que se o tecido tivesse sido colocado na mesma direção em cada camada.


Uma grande cartilha sobre códigos de orientação compostos pode ser encontrada nesta apresentação da Academia Naval dos EUA. Um código de orientação tradicional é descrito por uma série de ângulos delimitados por colchetes e separados por barras, para denotar os vários ângulos usados ​​em uma estratégia de layup composta específica. Por exemplo, o padrão de preenchimento de fibra isotrópica padrão de Eiger usa um código de orientação de [0/45/90/135], o que significa que a primeira camada de reforço de fibra é impressa em um padrão unidirecional em um ângulo de 0 graus da horizontal. A segunda camada de fibra é girada 45 graus da horizontal e essa sequência continua até que o código seja concluído, ponto em que o padrão é reiniciado na horizontal. Eiger também oferece aos nossos clientes a capacidade de desenvolver códigos de orientação totalmente personalizados, de qualquer comprimento repetido. Digno de nota é que enquanto cada camada individual contém um alto grau de anisotropia, com resistência muito maior na direção ao longo do comprimento das fibras compostas individuais, a adição de várias camadas de compósito com direção de rotação rapidamente adiciona força em várias direções, resultando em uma parte que é isotrópica como uma entidade em massa.

Capacidades aprimoradas

A impressora Mark Two 3D foi projetada para produzir peças reforçadas com fibra de alta resistência com geometrias 15x menores do que a Mark One, mas nossos algoritmos de software atualizados também fornecem recursos significativamente aprimorados para criar peças reforçadas com propriedades quase isotrópicas de alta resistência usando nosso ' Tipo de preenchimento de fibra isotrópica.


Você notará na imagem acima, no painel de configuração de fibra externa ‘Part View’ no Eiger, que há uma caixa de entrada para ‘Fiber Angles’. Esta é uma representação do código de orientação mencionado acima e é uma maneira de controlar rapidamente as propriedades do material a granel de alto nível de uma peça reforçada com fibra em Eiger. O código padrão [0/45/90/135] que Eiger usa produzirá uma parte isotrópica transversalmente (consulte a caixa de terminologia acima) se você reforçar cada camada da parte com o preenchimento de fibra isotrópica. Para inserir um código de orientação no Eiger, basta digitar os ângulos das várias orientações de fibra que você gostaria em seu padrão na caixa ‘Ângulo da fibra’, separados por vírgulas como na imagem acima.


Os algoritmos de roteamento de fibra aprimorados também permitem que o Mark Two imprima preenchimento de fibra isotrópica usando filamento de fibra de carbono Markforged, bem como nosso novo filamento de fibra de vidro de alta resistência e alta temperatura (HSHT) - opções que não estavam disponíveis com o Mark One devido a limitações técnicas. O próprio algoritmo foi atualizado a partir de sua contraparte Mark One - se você usar a visualização interna 2D de Eiger para visualizar uma camada com preenchimento de fibra isotrópica fatiado para o Mark Two, você notará que o novo algoritmo permite um tipo de preenchimento híbrido, com anéis concêntricos a parte externa da peça e preenchimento isotrópico no ângulo de orientação especificado preenchendo a área interna da peça. Isso produz uma peça com um acabamento superficial externo aprimorado, enquanto mantém alta resistência e rigidez geral internamente. Usando essa estratégia, as peças absolutamente mais fortes podem ser obtidas por meio da impressão 3D de fibra de carbono.

Controle mais preciso para as partes mais fortes

Os parâmetros de fibra da Visualização Externa são bons para um reforço rápido, mas se você precisar de mais controle sobre a resistência de suas peças, também pode editar os códigos de orientação de grupos de camadas específicos na Visualização Interna 3D de uma peça no Eiger. Para começar, selecione uma parte da sua biblioteca Eiger e entre na Visualização interna, que o leva à visualização 3D por padrão.


Uma vez dentro da visualização 3D interna, selecione um grupo de camadas de fibra pré-existente na barra de camadas clicando nele.


Para criar um novo grupo, clique na barra de camadas no ponto inicial ou final do grupo desejado e mantenha pressionado o botão do mouse enquanto arrasta pelas camadas que deseja no grupo. Em seguida, basta clicar em "Aplicar alterações" na caixa de controle da camada superior direita para criar o novo grupo.


Se você não estiver satisfeito com as camadas que escolheu para o grupo, pode sempre arrastar os delimitadores de grupo de camadas triangulares para redimensionar a camada. Depois de selecionar um grupo de camadas definido que está configurado para usar preenchimento de fibra isotrópica, você notará que o campo 'Ângulos de fibra' visto na visualização da peça externa também é visível na caixa de controle de camada no canto superior direito. Este parâmetro permite o mesmo nível de controle sobre os códigos de orientação de fibra que você tinha na vista da peça externa, exceto que, em vez de aplicar o código de orientação globalmente em todas as fibras em toda a peça, o campo Ângulos de fibra no editor de vista interna 3D irá permitem que você modifique o código de orientação apenas para o grupo de camadas selecionado sozinho. Isso lhe dá o controle para ajustar o posicionamento da fibra de alta resistência à geometria específica de sua peça.


E é basicamente isso - Eiger torna incrivelmente simples configurar rapidamente as diferentes camadas de reforço de fibra em uma peça!


Leia a Parte 2 desta postagem aqui - mostraremos as melhores estratégias para otimizar onde você deve colocar reforço de fibra para maximizar a resistência da peça para um uso mais eficaz da fibra!


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