Refuerzo de piezas impresas en 3D con enrutamiento de fibra eficiente:Parte 1

Nota del editor:esta es la primera parte de una serie sobre técnicas eficientes de enrutamiento de fibra que utilizan la impresora 3D Markforged. Si no está familiarizado con la impresora y está interesado en obtener más información, comuníquese con nosotros aquí. Una vez que haya terminado con esta publicación, ¡no dude en avanzar más con la Parte dos aquí!

Tipos de relleno de fibra

Nuestras impresoras 3D de alta resistencia le brindan dos estrategias de relleno de fibra diferentes para reforzar piezas impresas en 3D:fibra isotrópica o fibra concéntrica. Puede aplicar estas dos opciones globalmente en la página Vista de parte, o capa por capa en la página Vista interna. El exclusivo proceso de impresión 3D reforzada ofrece a los usuarios una variedad de tácticas de refuerzo para elegir:cada tipo de relleno tiene sus propias fortalezas y debilidades, que describimos a continuación. Si no tiene una impresora Markforged y desea experimentar con algunos de los consejos que se enumeran a continuación, obtenga una prueba de Eiger para probar estas tácticas usted mismo.

Primero, algunas convenciones de nomenclatura estándar para que todos estén en la misma página. Me referiré a la fuerza en diferentes ejes y planos con frecuencia, así que use esta clave como guía:

Refuerzo de relleno concéntrico

El relleno concéntrico simplemente traza un número específico de conchas dentro de los contornos exteriores de su pieza, lo que ayuda a reforzar la flexión alrededor del eje Z. Al hacerlo, esencialmente refuerza las paredes de la pieza, evitando que las paredes se deformen.

El relleno concéntrico tiende a tomar más tiempo porque los movimientos del cabezal de impresión ya no son lineales y, por lo tanto, el cabezal de impresión debe reducir la velocidad para preservar el seguimiento preciso de la trayectoria de la herramienta alrededor de las curvas. En este tipo de relleno, el cabezal de impresión sigue la curvatura exterior de la pieza a medida que gira en espiral hacia adentro, por lo que cuanto más compleja sea la curvatura, más tiempo tomará. Al usar relleno concéntrico, puede especificar cuántos anillos de fibra desea que tracen el contorno de su pieza, de modo que tenga un buen control sobre la cantidad de fibra que está usando por capa.

Refuerzo de relleno isotrópico

Nuestras impresoras 3D de fibra continua también pueden imprimir en un patrón de relleno de fibra isotrópica; esto simula las capas unidireccionales individuales de un compuesto laminado tradicional. El patrón crea efectivamente una "hoja" unidireccional de fibra en cada capa a la que lo aplica al enrutar todas las fibras paralelas entre sí en una única orientación angular, con giros de 180 grados cuando el camino llega al borde de la pieza. Eiger hace girar automáticamente las capas posteriores de fibra isotrópica en un grupo de fibras en ángulos de 45 grados con respecto a la orientación de la fibra en la capa anterior, aunque los patrones de orientación personalizados son ciertamente posibles, que veremos en la segunda parte de esta publicación. El patrón de relleno de fibra isotrópica ayuda a resistir la flexión en el plano XY porque cualquier fuerza de flexión aplicada en ese plano generará una carga de tracción en al menos algunas de las fibras, que son más fuertes en tensión. La fibra isotrópica también se puede utilizar para configurar paneles sándwich para aumentar la resistencia a la torsión en ese plano, que describiré más adelante.

Una cosa que puede notar es que la fibra isotrópica por defecto coloca 2 anillos concéntricos de fibra alrededor del exterior de la pieza. Esto asegura una superficie externa suavemente reforzada porque las fibras más externas son siempre continuas y paralelas al borde de la pieza. Si bien la fibra isotrópica es excelente para reforzar todo el plano de cada pieza, es costosa en cuanto a fibra y tiempo y no siempre es necesario crear piezas resistentes.

Técnicas básicas de enrutamiento de fibra

Con estas dos opciones de enrutamiento de fibra en su caja de herramientas, ahora hay muchas opciones de refuerzo diferentes que utilizan y combinan ambas opciones. Estas técnicas pueden ayudarlo a ahorrar dinero, materiales y tiempo de impresión al permitirle reforzar solo cuando y donde lo necesite.

Panel sándwich único

Un panel sándwich es una técnica común de laminado compuesto para reforzar la torsión alrededor de la superficie que crea la hoja compuesta. Como se describe en esta publicación de blog, un panel sándwich es el equivalente compuesto de una viga en I, con un material rígido y fuerte que forma la parte superior e inferior de una pieza; los planos superior e inferior sufren la mayor tensión de flexión, por lo que a menudo son el más reforzado. Si sabe que su pieza va a sufrir torsión en el plano XY, un panel sándwich mejorará la resistencia a la torsión de la pieza.

Nuestro software generará automáticamente un panel sándwich una vez que se seleccione "Usar fibra". Sin embargo, esto solo debe implementarse si su pieza es simétrica, ya que colocará fibra en las capas superior e inferior de su pieza. En la imagen de abajo, observe cómo la parte superior de la palanca de freno es en realidad una pequeña extrusión, por lo que la fibra debe agregarse manualmente; tiene más sentido colocar fibra debajo de la superficie más grande cerca de la parte superior de la pieza. En general, es mejor tener un panel sándwich que consta de capas con áreas de sección transversal muy similares.

Para que el sándwich quede parejo, asegúrese de que haya un número igual de capas isotrópicas en las superficies superior e inferior que desee reforzar. Los paneles sándwich deben ser uniformes, de lo contrario, su pieza será más fuerte al doblarse en una dirección y no en otra, y puede romperse o deformarse más fácilmente en una dirección. Cuantas más capas de fibra tenga a cada lado y cuanto más separado esté el sándwich, más fuerte será su parte. Las capas de fibra isotrópica en el centro de su pieza tendrán un efecto menor en la resistencia a la flexión de la pieza, por lo que no es necesario empacar completamente una pieza con fibra para proporcionar resistencia a la flexión.

Perímetro de fibra

Si bien los paneles sándwich aumentan la resistencia alrededor del plano XY, la creación de un perímetro de fibra hará que su pieza sea más fuerte alrededor del eje Z. Al usar la opción Relleno concéntrico en cada capa de su pieza, puede aumentar la fuerza al doblar alrededor del eje Z. Como mencioné anteriormente, Concentric Fill refuerza las paredes de su parte, por lo que crear un perímetro de fibra dentro de su parte hace que esas paredes sean mucho más difíciles de doblar. Esta es la razón por la que muchos materiales de ingeniería adoptan la forma de canales o tubos C en lugar de bloques:para reducir el peso pero conservar la resistencia.

Para configurar un perímetro de fibra en su pieza, use relleno concéntrico en las capas que desea reforzar. Al aumentar el número de anillos concéntricos o aumentar las capas en las que se utilizan anillos concéntricos, puede aumentar la resistencia de la pieza alrededor del eje Z. La palanca de freno de abajo experimentará tensión de flexión alrededor del eje Z, por lo que reforcé cada capa con 3 anillos de fibra concéntrica para maximizar la rigidez. Al igual que con los paneles sándwich, el centro de la pieza encuentra la menor tensión de flexión, por lo que no es necesario reforzar la pieza con anillos hasta el centro.

Bombardeo

¿Qué sucede si sus piezas deben tener una mayor rigidez a la flexión en cada eje o no sabe muy bien cómo se van a cargar? Puede reforzar las piezas para que no se flexionen en todos los ejes combinando estas dos técnicas. Con un panel sándwich en la parte superior e inferior y capas de fibra en el medio, la resistencia a la flexión de su pieza mejora en todos los ejes. Este soporte de motor para una aplicación robótica de servicio pesado debe ser fuerte, pero puede experimentar cargas desde cualquier dirección, por lo que algo como esto debe reforzarse fuertemente desde todos los lados.

Quiero que esta sea una pieza muy robusta, así que seleccioné 20 capas de paneles sándwich de fibra isotrópica (10 por lado). Sin embargo, debido a las extrusiones de los orificios de los pernos en la parte superior de la pieza, necesito ajustar el "panel" de fibra superior y colocarlo debajo de la cara superior de la pieza.

La barra en la parte inferior le permite controlar diferentes secciones de fibra y muestra cuánta fibra tiene cada capa, normalizada a la mayor cantidad de fibra. En la imagen de arriba, puede ver dos secciones de refuerzo de fibra para un panel sándwich isotrópico simple. Ahora puedo seleccionar la región central entre los dos "paneles", crear un grupo y establecer el enrutamiento de fibra en Relleno de fibra concéntrico con 2 anillos de fibra concéntricos.

Esta parte ahora está reforzada de manera eficiente en la flexión mediante el uso de relleno de fibra isotrópica y concéntrica. Al comprender cómo cada tipo de configuración de relleno de fibra refuerza una pieza, puede desarrollar trucos simples como este para mejorar el rendimiento de la pieza y el tiempo de impresión sin desperdiciar fibra innecesaria. Busque la segunda parte de esta publicación, donde cubriremos técnicas más avanzadas para optimizar la resistencia de la pieza con la orientación de la fibra.

¿Interesado en aprender más? Solicite una prueba de Eiger para experimentar con nuestro software y opciones de refuerzo de fibra. ¡Consulte también la segunda parte de esta publicación, con técnicas de enrutamiento de fibra más avanzadas!