MMF # 1:Bisagras vivas impresas en 3D con Bennett

Actualización: Si desea obtener más información sobre el diseño de elementos de flexión y bisagras vivas, mire la grabación del seminario web sobre el diseño de elementos de flexión y bisagras vivas.

Publicación original: MarkForged Mechanical Features [MMF] es una serie de publicaciones de blog que detallan las mejores prácticas para diseñar piezas de ingeniería tradicionales comunes y características mecánicas para la impresión 3D reforzada con compuestos con impresoras MarkForged

¡Bienvenido a la primera edición de Markforged Mechanical Features! Recibimos preguntas de los clientes con regularidad que solicitan ayuda para integrar las características mecánicas que están acostumbrados a diseñar en piezas impresas en 3D para aprovechar la resistencia funcional de los materiales Markforged. Para ayudar a difundir este conocimiento, publicaremos artículos con regularidad sobre una función de ingeniería específica y le ofreceremos consejos y trucos sobre cómo aprovechar al máximo su impresora MarkForged.

Hoy hablaremos de bisagras vivientes . En el nivel más fundamental, una bisagra viva es una característica mecánica integral delgada de una pieza, generalmente hecha de plástico, que produce una funcionalidad similar a una bisagra (rotación alrededor de un solo eje) a partir de la deformación por flexión del plástico. Si eso es un poco técnico, probablemente haya visto bisagras vivientes en una variedad de productos de consumo comunes, desde la parte superior de los contenedores de hilo dental hasta las botellas de champú. Son omnipresentes en envases moldeados por inyección para productos de consumo, debido a su excelente solidez y rendimiento, con pasos mínimos de procesamiento o montaje, y con MarkForged, puede incorporarlos a sus diseños con impresión 3D de potencia industrial.

Términos técnicos:si ya es un profesional con bisagras dinámicas, no dude en omitir esta sección
Comencemos con una terminología básica. A continuación se muestra un diagrama etiquetado de un ejemplo de pieza de bisagra viva que analizaremos en un segundo.

Destacan la bisagra viva y la flexión del pestillo. Ambas son funciones flexibles que permiten una rotación restringida a lo largo de un solo eje. Si bien ambos son bisagras técnicamente vivientes, tienen dos funciones diferentes y sus diferentes geometrías reflejan esto.

Para ayudar a demostrar las bisagras vivas impresas en 3D, solicité la ayuda de uno de mis compañeros ingenieros mecánicos aquí en Markforged. Bennett es ingeniero mecánico senior y anteriormente pasó tres años diseñando sistemas electromecánicos y carcasas moldeadas por inyección en una importante empresa de robótica médica. Es uno de nuestros gurús del modelado 3D, un ninja habitual de Solidworks, y tiene un profundo interés en llevar el diseño mecánico extremo al mundo de la impresión 3D. También ha estado diseñando un montón de bisagras vivientes en la oficina recientemente.

Bennett: Empecé a imprimir bisagras vivientes porque mi hermano (que es ingeniero mecánico en el Área de la Bahía) me pidió que imprimiera algunas piezas de muestra que había diseñado en la Mark Two. Trabaja en electrónica de consumo, donde los broches y las bisagras son una parte importante del diseño de hardware. Por lo general, este tipo de piezas se crean prototipos mediante un proceso de impresión 3D (SLA) basado en estereolitografía que funciona bien como prueba inicial de forma y ajuste. Sin embargo, debido a la fragilidad de los materiales utilizados en la impresión SLA, efectivamente está creando piezas de un solo uso, ya que la bisagra generalmente se rompe después de un solo ciclo. SLA le permite visualizar cómo se verá una pieza en múltiples configuraciones, pero no permite la simulación funcional de la pieza de uso final. La alternativa a un prototipo SLA es preparar y disparar un molde de inyección de prueba. Este es un proceso costoso y, lo que es más importante, de largo plazo de entrega, no adecuado para una iteración rápida del diseño. Mi hermano tenía curiosidad por ver si una impresora MarkForged sería una mejor opción y me envió los archivos STL de algunas piezas de ejemplo para imprimir. Me puse a trabajar colocándolos en Eiger y comencé las impresiones de un Mark Two en casa ese mismo día.

Trabajar con bisagras vivas en las partes de mi hermano me llevó a comenzar a experimentar con diferentes parámetros de diseño para bisagras vivas impresas en 3D en el Mark Two. El cuadro a continuación es un ejemplo simple que creé que incorpora algunas de las pautas de diseño que desarrollé mientras trabajaba con los archivos de modelo 3D de mi hermano.

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Nick: Una de las partes más importantes de la impresión de bisagras dinámicas es conseguir que la orientación de la pieza sea correcta en Eiger. Las bisagras vivas generalmente se pueden producir a partir de nailon (para una bisagra más flexible) o nailon reforzado con kevlar (para una bisagra más rígida pero con mayor capacidad de carga), pero en cualquier caso, deben imprimirse con el eje normal de la perfil lateral de la bisagra apuntando en la dirección del eje Z. Otra forma de describir esta orientación es que el perfil lateral completo de la bisagra, como se muestra a continuación, debe estar en el plano horizontal XY.

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La razón de esto es doble y afecta en gran medida la resistencia de la bisagra:primero, la fibra solo se puede colocar en el plano XY, por lo que para colocar kevlar a lo largo de la bisagra debe estar orientada como tal. En segundo lugar, la resistencia a la tracción del nailon impresa en una capa es mucho mayor que la resistencia de adhesión entre capas del nailon. Ambas realidades llevan a la necesidad de imprimir una bisagra viva en la orientación que se muestra en la siguiente captura de pantalla de Eiger.

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Un desafío común al que nuestros nuevos usuarios se enfrentan a menudo cuando comienzan a diseñar para impresión 3D es desarrollar una comprensión de la anisotropía de las piezas impresas en 3D.

Condiciones técnicas

Material anisotrópico:un material con propiedades de material dependientes de la dirección, a menudo mecánicas, a lo largo de varios ejes de una sección del material; muchas maderas, por ejemplo, se parten fácilmente a lo largo de sus líneas de vetas, pero son difíciles de romper o cortar a lo largo de la veta, lo que es un gran ejemplo de anisotropía. Lo contrario es un material isotrópico, como muchos metales, que tienen propiedades mucho más uniformes independientemente de la orientación. / Términos técnicos

Bennett: Como Nick mencionó anteriormente, con la tecnología FFF obtendrás tu mayor fuerza en el plano XY, por lo que debes aprovechar eso. Además, una de mis cosas favoritas sobre el diseño en nailon es lo resistente que puede ser a la fatiga. Cuando combina estos dos factores, se deduce que la orientación óptima para una bisagra viva tendrá la sección transversal de la bisagra en el plano horizontal XY. A medida que engrosa la bisagra, aumenta su rigidez. En esta parte, hay una bisagra de tapa que necesita un movimiento completo de 180 grados y una bisagra de pestillo que tiene un requisito mucho menor de movimiento angular, pero que debe mantener la tapa cerrada cuando se cierra a presión. Basándome en esos requisitos, hice que la bisagra de la tapa fuera lo más delgada posible, mientras aumentaba el grosor de la bisagra del pestillo para darle rigidez y promover que la caja permaneciera cerrada hasta que un usuario la abriera intencionalmente. Modelé la tapa en su posición neutral (90 grados abierta) y la bisagra del pestillo se cerró ligeramente para ayudar a que encaje en su lugar. Las piezas flexibles impresas en 3D, al igual que sus contrapartes moldeadas por inyección, tienen una tendencia a volver a su estado original a menos que sufran una deformación plástica significativa, por lo que debe tener esto en cuenta al diseñar la posición neutra deseada de sus piezas.

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Lo siguiente fue trasladar las cosas a Eiger. Giré la pieza para asegurarme de que mis bisagras se imprimieran en la orientación deseada y encendí la fibra. Usé un relleno concéntrico diseñado para llenar totalmente la pieza con fibra y apliqué los ajustes a toda la pieza. Eiger me advirtió sobre no tener suficiente espacio para colocar la fibra, pero esto era lo esperado ya que diseñé las bisagras mismas para que fueran más pequeñas que el grosor mínimo requerido para el refuerzo de fibra. Sin embargo, con el Mark Two pude colocar fibra en toda la base de la pieza, así como en la tapa, sin problemas, algo que nunca hubiera podido hacer con el Mark One debido al pequeño tamaño de esta pieza. . También encendí la configuración del borde para esta parte para asegurarme de que mis secciones altas y delgadas estuvieran completamente soportadas durante sus primeras capas.

Detalles técnicos

• Espesor de la bisagra de la tapa:0,7 mm, para máxima flexibilidad
• Grosor de la bisagra del pestillo:1,2 mm, para una mayor rigidez y evitar una apertura involuntaria
• Piezas modeladas en posiciones abierta y cerrada para confirmar que el radio de curvatura era apropiado, antes de que se eligiera la configuración de impresión final

¿Quieres imprimir el tuyo propio? Archivos Solidworks de Bennett:Archivo Living_Hinges CAD SW
Listo para Eiger:Living_Hinges STL