Reforçando as peças impressas em 3D com roteamento de fibra eficiente:Parte 1

Nota do Editor:Esta é a Parte Um de uma série sobre técnicas eficientes de roteamento de fibra usando a impressora 3D Markforged. Se você não está familiarizado com a impressora e tem interesse em saber mais, entre em contato conosco aqui. Assim que terminar esta postagem, fique à vontade para avançar mais com a Parte Dois aqui!

Tipos de preenchimento de fibra

Nossas impressoras 3D de alta resistência oferecem duas estratégias diferentes de preenchimento de fibra para reforçar as peças impressas em 3D:Fibra Isotrópica ou Fibra Concêntrica. Você pode aplicar essas duas opções globalmente na página Visualização da peça ou camada por camada na página Visualização interna. O processo de impressão 3D reforçado exclusivo oferece aos usuários uma variedade de táticas de reforço para escolher:cada tipo de preenchimento tem seus próprios pontos fortes e fracos, que descrevemos a seguir. Se você não tem uma impressora Markforged e deseja experimentar algumas das dicas listadas abaixo, faça uma avaliação Eiger para experimentar essas táticas você mesmo.

Primeiro, algumas convenções de nomenclatura padrão para que todos estejam na mesma página. Vou me referir à resistência em diferentes eixos e planos com frequência, então use esta chave como um guia:

Reforço de preenchimento concêntrico

O Preenchimento concêntrico simplesmente traça um número específico de cascas dentro dos contornos externos de sua peça, o que ajuda a evitar dobras em torno do eixo Z. Com isso, essencialmente reforça as paredes da peça, evitando que as paredes se deformem.

O Preenchimento concêntrico tende a demorar mais porque os movimentos do cabeçote de impressão não são mais lineares e, portanto, o cabeçote de impressão deve reduzir a velocidade para preservar o rastreamento preciso do caminho da ferramenta em torno das curvas. Nesse tipo de preenchimento, o cabeçote de impressão segue a curvatura externa da peça conforme ela faz uma espiral para dentro, portanto, quanto mais complexa for a curvatura, mais tempo levará. Ao usar preenchimento concêntrico, você pode especificar quantos anéis de fibra deseja traçar o contorno de sua peça, para ter um bom controle sobre a quantidade de fibra que está usando por camada.

Reforço de preenchimento isotrópico

Nossas impressoras 3D de fibra contínua também podem imprimir em um padrão de preenchimento de fibra isotrópica - isso simula as camadas unidirecionais individuais de um composto laminado tradicional. O padrão cria efetivamente uma "folha" unidirecional de fibra em cada camada aplicada ao direcionar todas as fibras paralelas umas às outras em uma única orientação angular, com giros de 180 graus quando o caminho atinge a borda da peça. As camadas subsequentes de fibra isotrópica em um grupo de fibras são giradas automaticamente por Eiger em ângulos de 45 graus em relação à orientação da fibra na camada anterior, embora padrões de orientação personalizados sejam certamente possíveis, que veremos na Parte Dois deste artigo. O padrão de preenchimento de fibra isotrópica ajuda a resistir à flexão no plano XY porque qualquer força de flexão aplicada nesse plano irá gerar uma carga de tração em pelo menos algumas das fibras, que são as mais fortes em tensão. A fibra isotrópica também pode ser usada para configurar painéis sanduíche para aumentar a resistência à torção naquele plano, que descreverei mais tarde.

Uma coisa que você pode notar é que a fibra isotrópica por padrão coloca 2 anéis concêntricos de fibra ao redor da parte externa. Isso garante uma superfície externa suavemente reforçada porque as fibras mais externas são sempre contínuas e paralelas à borda da peça. Embora a fibra isotrópica seja ótima para reforçar todo o plano de cada parte, ela é cara e demorada e nem sempre é necessário criar partes fortes.

Técnicas básicas de roteamento de fibra

Com essas duas opções de roteamento de fibra em sua caixa de ferramentas, agora existem muitas opções de reforço diferentes que utilizam e combinam as duas opções. Essas técnicas podem ajudá-lo a economizar dinheiro, materiais e tempo de impressão, permitindo que você reforce apenas quando e onde precisar.

Painel sanduíche único

Um painel sanduíche é uma técnica de layup composta comum para reforçar a torção em torno da superfície que a folha composta cria. Conforme descrito nesta postagem do blog, um painel sanduíche é o equivalente composto de uma viga em I, com um material rígido e forte formando a parte superior e inferior de uma peça - os planos superior e inferior sofrem a maior tensão de flexão, portanto, costumam ser o mais reforçado. Se você sabe que sua peça vai encontrar torção no plano XY, um painel sanduíche vai melhorar a resistência à torção da peça.

Nosso software irá gerar automaticamente um painel sanduíche assim que “Usar fibra” for selecionado. No entanto, isso só deve ser implementado se sua peça for simétrica, já que irá colocar fibra nas camadas superior e inferior de sua peça. Na imagem abaixo, observe como a parte superior da alavanca do freio é, na verdade, uma pequena extrusão, então a fibra precisa ser adicionada manualmente, faz mais sentido colocar a fibra abaixo da superfície maior perto do topo da peça. Em geral, é melhor ter um painel sanduíche consistindo de camadas com áreas de seção transversal muito semelhantes.

Para que o sanduíche seja uniforme, certifique-se de que haja um número igual de camadas isotrópicas nas superfícies superior e inferior que deseja reforçar. Os painéis sanduíche precisam ser uniformes, caso contrário, sua parte será mais forte ao dobrar em uma direção e não em outra, e pode quebrar ou deformar mais facilmente em uma direção. Quanto mais camadas de fibra você tiver em cada lado e quanto mais afastado estiver o sanduíche, mais forte será sua parte. Camadas de fibra isotrópica no centro de sua peça terão menos efeito na resistência à flexão da peça, portanto, não é necessário embalar inteiramente uma peça com fibra para fornecer resistência na flexão.

Perímetro de fibra

Enquanto o painel sanduíche aumenta a resistência em torno do plano XY, a criação de um perímetro de fibra tornará sua peça mais forte em torno do eixo Z. Ao usar a opção Preenchimento concêntrico em cada camada de sua peça, você pode aumentar a resistência na dobra em torno do eixo Z. Como mencionei antes, o Preenchimento concêntrico reforça as paredes de sua peça, portanto, criar um perímetro de fibra dentro de sua peça torna essas paredes muito mais difíceis de dobrar. É por isso que muitos materiais de engenharia assumem a forma de canais C ou tubos em vez de blocos:para reduzir o peso, mas conservar a resistência.

Para configurar um perímetro de fibra em sua parte, use preenchimento concêntrico nas camadas que deseja reforçar. Aumentando o número de anéis concêntricos ou aumentando as camadas nas quais os anéis concêntricos são usados, você pode aumentar a resistência da peça em torno do eixo Z. A alavanca do freio abaixo experimentará tensão de flexão em torno do eixo Z, então reforcei cada camada com 3 anéis de fibra concêntrica para maximizar a rigidez. Assim como com o painel sanduíche, o meio da peça encontra a menor tensão de flexão, então a peça não precisa ser reforçada com anéis até o centro.

Bombardeio

E se suas peças precisarem de maior rigidez à flexão em cada eixo ou você não souber como serão carregadas? Você pode reforçar a flexão de peças em cada eixo combinando essas duas técnicas. Com um painel sanduíche na parte superior e inferior e camadas de fibra entre elas, a resistência à flexão de sua peça é aprimorada em todos os eixos. Este suporte do motor para uma aplicação robótica de serviço pesado precisa ser forte, mas pode sofrer cargas de qualquer direção, então algo como isso precisa ser fortemente reforçado de todos os lados.

Eu quero que esta seja uma parte muito robusta, então selecionei 20 camadas de painéis sanduíche de fibra isotrópica (10 de cada lado). No entanto, por causa das extrusões do orifício do parafuso na parte superior da peça, preciso ajustar o “painel” de fibra superior e colocá-lo abaixo da face superior da peça.

A barra na parte inferior permite que você controle diferentes seções de fibra e exibe a quantidade de fibra de cada camada, normalizada para a maior quantidade de fibra. Na imagem acima, você pode ver duas seções de reforço de fibra para um painel sanduíche isotrópico simples. Agora posso selecionar a região central entre os dois “painéis”, criar um grupo e definir o roteamento de fibra para Preenchimento de fibra concêntrica com 2 anéis de fibra concêntricos.

Esta parte agora é eficientemente reforçada na dobra por meio do uso de preenchimento de fibra isotrópica e concêntrica. Ao compreender como cada tipo de configuração de preenchimento de fibra reforça uma peça, você pode desenvolver truques simples como este para melhorar o desempenho da peça e o tempo de impressão sem desperdiçar fibras desnecessárias. Fique atento à segunda parte deste post, onde cobriremos técnicas mais avançadas para otimizar a resistência da peça com orientação da fibra!

Interessado em aprender mais? Solicite um teste Eiger para experimentar nosso software e opções de reforço de fibra. Verifique também a Parte Dois deste post, com técnicas de roteamento de fibra mais avançadas!