Sus piezas más fuertes con la impresión 3D de fibra de carbono - Relleno isotrópico Parte 1

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Nota del escritor:esta es la primera de una publicación de dos partes sobre el uso del patrón de relleno de fibra isotrópica de Eiger para hacer partes extremadamente fuertes con un Mark Two. En esta publicación, vamos a revisar cómo aproximar los patrones de laminado de alta resistencia de los compuestos tradicionales con una impresora Markforged. En la publicación de seguimiento, abordaremos cómo usar estas estrategias para obtener la máxima resistencia en sus partes reforzadas. Vamos a ponernos un poco más técnicos en esta publicación de lo que solemos hacer en nuestro blog, pero lo tomaremos con calma a través de la terminología (hemos incluido un breve Glosario de terminología de compuestos), y creemos que lo apreciará una comprensión más profunda sobre cómo diseñar de manera efectiva para la impresión 3D de alta resistencia reforzada con compuestos.

Un trasfondo de materiales compuestos

Las impresoras 3D compuestas de hebra continua de Markforged permiten a nuestros clientes crear piezas impresas en 3D de resistencia industrial, reforzadas con fibras compuestas para producir propiedades similares a los laminados compuestos cuasi-isotrópicos, en un sistema de impresión 3D altamente automatizado. Las piezas impresas en 3D cuasi-isotrópicas tienen diferentes características de material a lo largo de diferentes ejes, y al variar la orientación de la fibra en nuestro software de corte Eiger, puede diseñar piezas resistentes para resistir aplicaciones de carga específicas a las que la pieza puede estar expuesta.

Las propiedades del material isotrópico de alta resistencia * facilitan el diseño de piezas de ingeniería:si un material tiene las mismas propiedades en todas las direcciones, hacer una pieza que sea lo suficientemente resistente para la aplicación prevista no es más que una cuestión de geometría. En el caso de que las propiedades del material serán difieren en los diferentes ejes (como es el caso de la impresión 3D), un material cuasi-isotrópico * es la siguiente mejor opción, ya que hay una diferencia de resistencia a lo largo de un solo eje que debe tenerse en cuenta y requerirá mucho menos tiempo y trabajo de diseño para optimizar la resistencia de la pieza que con un material completamente anisotrópico *. Consulte la terminología común para la orientación de las propiedades del material compuesto a continuación para obtener una discusión más profunda de las variaciones en las propiedades del material. Tenga en cuenta que, por conveniencia, y con el entendimiento de que todas las piezas impresas en 3D tendrán diferentes propiedades de material en la dirección Z (el eje normal al plano de la cama de impresión), Markforged ha eliminado el 'cuasi-' de cuasi-isotrópico al describir nuestro 'Isotrópico Tipo de relleno de fibra.

Glosario de terminología compuesta

• Materiales isotrópicos - tener propiedades de material uniformes en todas las direcciones, independientemente del material o la orientación de observación. La mayoría (pero no todos) los metales tienden a tener propiedades altamente isotrópicas.
• Anisotropía - un estado general de propiedades direccionalmente dependientes. Un material caracterizado como anisotrópico no demuestra la propiedad de ser isotrópico, pero una clasificación tan general no ofrece ninguna información sobre cómo o a lo largo de qué ejes el material es direccionalmente dependiente. La parte de la bisagra viva que demostramos anteriormente es un gran ejemplo, ya que contiene elementos de flexión, así como regiones más rígidas reforzadas con Kevlar.
• Materiales ortotrópicos - como la madera, demuestran propiedades que difieren a lo largo de tres ejes mutuamente ortogonales (en ángulos de 90 grados entre sí). La madera ofrece un buen ejemplo porque tiende a partirse fácilmente a lo largo de las líneas de las vetas, pero es difícil de cortar o partir en otras direcciones.
• Materiales cuasi-isotrópicos - A menudo se aproximan o son materiales isotrópicos en dos ejes, pero tienen propiedades diferentes en una tercera dirección. Esta es una descripción general precisa de las piezas impresas en 3D con Markforged que incluyen el patrón de refuerzo "Fibra isotrópica", en su mayoría sin tener en cuenta los valores utilizados en la propiedad "Ángulos de fibra" que se describen a continuación.
• Materiales isotrópicos transversales - son un subconjunto de materiales cuasi-isotrópicos, y se refieren específicamente a materiales en los que ocurre isotropía en el plano transversal de una pieza (piense en propiedades uniformes en cada capa, el plano XY, de una pieza impresa en 3D), con diferentes propiedades de material a lo largo un solo eje (el eje Z en una pieza impresa en 3D). Con una impresora 3D Markforged, esto se aproxima mucho al utilizar el patrón de relleno de fibra isotrópica y los valores predeterminados de "Ángulos de fibra" que se describen a continuación.

Los compuestos termoendurecibles tradicionales (la mayoría de los usos del consumidor de fibra de carbono emplean este tipo de compuesto) están hechos de docenas a miles de capas apiladas de material compuesto unidireccional (a menudo en forma de tela tejida o cinta unidireccional) orientadas en un patrón de diferentes direcciones; Los diseñadores de compuestos emplean una estructura de nomenclatura en forma de "código de orientación" para proporcionar una forma simplificada de describir estos patrones repetidos. Cada capa sucesiva generalmente se gira en algún ángulo (a menudo 45 grados) con respecto a la capa de abajo, y dado que las fibras compuestas que forman la tela tejida en cada capa son más fuertes en su dirección de tracción, al girar la tela en cada capa se produce una pieza con una Resistencia y rigidez a granel multidireccionales mucho más altas que si la tela se hubiera colocado en la misma dirección en cada capa.

En esta presentación de la Academia Naval de EE. UU. Se puede encontrar una gran introducción a los códigos de orientación compuestos. Un código de orientación tradicional se describe mediante una serie de ángulos encerrados por corchetes y separados por barras inclinadas hacia adelante, para denotar los diversos ángulos utilizados en una estrategia de colocación compuesta particular. Por ejemplo, el patrón de relleno de fibra isotrópica predeterminado de Eiger utiliza un código de orientación de [0/45/90/135], lo que significa que la primera capa de refuerzo de fibra se imprime en un patrón unidireccional en un ángulo de 0 grados desde la horizontal. La segunda capa de fibra se gira 45 grados desde la horizontal, y esta secuencia continúa hasta que se completa el código, momento en el que el patrón se reinicia desde la horizontal. Eiger también ofrece a nuestros clientes la capacidad de desarrollar sus propios códigos de orientación completamente personalizados, de cualquier longitud repetida. Es de destacar que si bien cada capa individual contiene un alto grado de anisotropía, con una fuerza mucho mayor en la dirección a lo largo de la longitud de las fibras compuestas individuales, la adición de múltiples capas de compuesto con dirección de rotación agrega rápidamente resistencia en múltiples direcciones, lo que resulta en una parte que es isotrópica como entidad a granel.

Capacidades mejoradas

La impresora 3D Mark Two fue diseñada para producir piezas reforzadas con fibra de alta resistencia con geometrías 15 veces más pequeñas que la Mark One, pero nuestros algoritmos de software actualizados también le brindan capacidades significativamente mejoradas para crear piezas reforzadas con propiedades cuasi-isotrópicas de alta resistencia utilizando nuestro ' Tipo de relleno de fibra isotrópica.

Observará en la imagen de arriba, desde el panel de configuración de fibra externa "Vista parcial" en Eiger, que hay un cuadro de entrada para "Ángulos de fibra". Esta es una representación del código de orientación mencionado anteriormente y es una forma de controlar rápidamente las propiedades del material a granel de alto nivel de una pieza reforzada con fibra en Eiger. El código predeterminado [0/45/90/135] que usa Eiger producirá una pieza isotrópica transversal (consulte el cuadro de terminología anterior) si refuerza cada capa de la pieza con el relleno de fibra isotrópica. Para ingresar un código de orientación en Eiger, simplemente ingrese los ángulos de las diversas orientaciones de fibra que le gustaría en su patrón en el cuadro "Ángulo de fibra", separados por comas como en la imagen de arriba.

Los algoritmos de enrutamiento de fibra mejorados también permiten que Mark Two imprima relleno de fibra isotrópica utilizando filamento de fibra de carbono Markforged, así como nuestro nuevo filamento de fibra de vidrio de alta resistencia y alta temperatura (HSHT), opciones que no estaban disponibles con Mark One debido a limitaciones técnicas. El algoritmo en sí se ha actualizado a partir de su contraparte Mark One:si usa la Vista interna 2D de Eiger para ver una capa con relleno de fibra isotrópica en rodajas para Mark Two, notará que el nuevo algoritmo permite un tipo de relleno híbrido, con anillos concéntricos en el exterior de la pieza y el relleno isotrópico en el ángulo de orientación especificado rellenando el área interna de la pieza. Esto produce una pieza con un acabado superficial externo mejorado, al tiempo que mantiene una alta resistencia general y rigidez internamente. Usando esta estrategia, las partes absolutamente más fuertes se pueden lograr a través de la impresión 3D de fibra de carbono.

Control más fino para las partes más fuertes

Los parámetros de fibra de la Vista externa son buenos para un refuerzo rápido, pero si necesita más control sobre la resistencia de sus piezas, también puede editar los códigos de orientación de grupos de capas específicos en la Vista interna 3D de una pieza en Eiger. Para comenzar, seleccione una parte de su biblioteca Eiger e ingrese a la Vista interna, que lo lleva a la vista 3D por defecto.

Una vez dentro de la Vista 3D Interna, seleccione un grupo de capas de fibra preexistente en la barra de capas haciendo clic en él.

Para crear un nuevo grupo, haga clic en la barra de capas en el punto inicial o final de su grupo deseado y mantenga presionado el botón del mouse mientras arrastra las capas que desea en el grupo. Luego, simplemente haga clic en "Aplicar cambios" en el cuadro de control de capa superior derecho para crear el nuevo grupo.

Si no está satisfecho con las capas que eligió para el grupo, siempre puede arrastrar los delimitadores del grupo de capas triangulares para cambiar el tamaño de la capa. Una vez que haya seleccionado un grupo de capas definido que esté configurado para usar relleno de fibra isotrópica, notará que el campo "Ángulos de fibra" que se ve en la vista de parte externa también es visible en el cuadro de control de capa en la parte superior derecha. Este parámetro le permite el mismo nivel de control sobre los códigos de orientación de la fibra que tenía en la Vista de pieza externa, excepto que en lugar de aplicar el código de orientación globalmente en toda la fibra en toda la pieza, el campo Ángulos de fibra en el editor de Vista interna 3D le permite modificar el código de orientación solo para el grupo de capas seleccionado. Esto le da el control para adaptar la colocación de fibra de alta resistencia a la geometría específica de su pieza.

Y eso es todo:¡Eiger hace que sea increíblemente simple configurar rápidamente las diferentes capas de refuerzo de fibra en una pieza!

Lea la Parte 2 de esta publicación aquí:lo guiaremos a través de las mejores estrategias para optimizar dónde ¡debe poner refuerzo de fibra para maximizar la resistencia de la pieza y lograr un uso más efectivo de la fibra!

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