Relleno de fibra isotrópico: construcción de las piezas impresas en 3D más resistentes – Parte 2

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Nota del autor: Esta es la segunda publicación de nuestra serie de dos partes sobre el diseño de las piezas más resistentes con el relleno de fibra isotrópico de Eiger usando fibra de carbono en la Mark Two. La publicación anterior cubrió los fundamentos del refuerzo compuesto y la lógica detrás de nuestro patrón isotrópico único. Aquí nos centramos en cómo aplicar ese relleno de manera más eficiente para producir las piezas más resistentes minimizando peso y coste.

Ya exploramos los fundamentos del refuerzo compuesto y orientaciones de fibra en Eiger. Ahora profundizamos en la eficiencia del refuerzo —maximizar resistencia sin añadir masa ni gasto innecesarios. Reforzar una capa con el relleno de fibra isotrópico de Eiger añade rigidez y resistencia, pero ¿siempre es necesario? La respuesta está en la ubicación de la capa relativa a las cargas que experimentará la pieza.

Antes de reforzar, es esencial entender cómo responden las piezas físicas a fuerzas externas. Considere una viga simplemente apoyada en ambos extremos y libre de traducir a lo largo del eje x, como se muestra a continuación.

Cuando se aplica una fuerza F, la viga se flexiona hacia abajo. La magnitud de la deflexión depende de F, la geometría de la viga y sus propiedades materiales. Una vista transversal de la viga bajo flexión muestra que el lado más cercano a la carga se comprime, mientras que el opuesto está en tensión.

El diagrama ilustra los esfuerzos de flexión σ a lo largo del espesor de la viga. La longitud de las flechas representa la magnitud del esfuerzo, mientras que su dirección indica compresión (flechas hacia arriba) o tensión (flechas hacia abajo). El eje neutro —donde el esfuerzo es cero— atraviesa el centro. Esto significa que los esfuerzos más altos ocurren en las superficies exteriores. Por tanto, si va a reforzar una pieza que se flexionará, debe colocar material de alta resistencia cerca de esas superficies, reflejando los principios de diseño detrás de vigas I y paneles sándwich.

Las vigas I y paneles sándwich se desarrollaron para lograr alta resistencia y rigidez con peso mínimo. Como los esfuerzos de flexión pico en las superficies exteriores, añadir material de alta resistencia allí maximiza la capacidad de carga manteniendo la masa baja. Los paneles sándwich distribuyen la carga sobre un área mayor, permitiendo materiales de núcleo más ligeros y reduciendo la necesidad de un alma concentrada.

Superposición de paneles sándwich en Eiger

En Eiger, el algoritmo por defecto crea un panel sándwich cuando añade fibra desde la página Vista de pieza. La mitad de las Capas de fibra seleccionadas se colocan en la parte superior de la pieza (debajo de las cuatro capas sólidas superiores de plástico) y la otra mitad en la inferior (sobre las primeras cuatro capas sólidas). Esto funciona bien para piezas simétricas respecto a un plano paralelo a la placa de construcción, como el tren de aterrizaje del dron Snotbot impreso por Olin College.

Como muestran las fotos, el algoritmo añadió 10 capas de refuerzo de Kevlar en la parte superior e inferior de la pieza, produciendo un panel sándwich equilibrado. Sin embargo, cuando una pieza no es simétrica —como la palanca de freno de motocicleta que usamos a menudo en ferias— el algoritmo por defecto falla al colocar fibra donde más se necesita.

En ese caso, el algoritmo añade fibra solo en la parte inferior, dejando la superficie superior sub-reforzada porque la pequeña cresta del casquillo de bronce rompe la simetría. Para crear el panel sándwich más grande, debe reposicionar el grupo de capas superior para que la fibra alcance la superficie superior de la palanca.

Nuestra primera directriz para piezas resistentes en la Mark Two es construir primero los paneles sándwich más grandes y gruesos usando relleno de fibra isotrópico con uno o dos anillos concéntricos en las capas más separadas.

Para la palanca de freno, mueva el grupo de capas superior hacia abajo hasta que la fibra recorra la parte superior del cuerpo de la palanca, como se ilustra a continuación.

Cuando múltiples regiones potenciales de paneles sándwich se solapan —como el brazo de biela del equipo de Vehículos de Potencia Humana de UW‑Madison del diseño 2016— puede superponer paneles. El brazo de biela tiene varias áreas que podrían beneficiarse del refuerzo: la parte superior e inferior del cuerpo principal, y los extremos con brida que experimentan conos de esfuerzo inducidos por tornillos.

Comience dejando que el algoritmo por defecto añada cuatro capas de relleno de fibra isotrópico a la parte superior e inferior de toda la pieza. Aunque las dos capas tienen áreas transversales diferentes, este enfoque maximiza la capacidad de la pieza para resistir las cargas de flexión del ciclista.

Luego, refuerce la brida que conecta el brazo de biela al cigüeñal. Como ya reforzamos la parte inferior de la brida en el primer paso, añada un grupo de capas unas 25 capas dentro de la pieza, justo donde termina la brida. Esto crea un segundo panel sándwich más delgado que comparte la capa inferior con el panel mayor, un concepto que llamamos superposición.

Finalmente, como los brazos de biela de bicicleta experimentan cargas torsionales complejas, añada una capa de fibra adicional alrededor del plano medio para contrarrestar esfuerzos de corte, que pico cerca del eje neutro. Esto produce una configuración con cuatro grupos de fibra distintos formando una serie de paneles sándwich.

Estos pasos producen una de las configuraciones más resistentes y ligeras alcanzables con Eiger.

Tres directrices clave para impresión 3D de alta resistencia con refuerzo de fibra:

• Comience con el panel sándwich más grande y grueso usando relleno de fibra isotrópico.
• Superponga paneles sándwich adicionales para reforzar completamente geometrías complejas.
• Añada un grupo de capas de fibra en el plano medio para mitigar esfuerzos de corte torsionales.

Aunque existen excepciones, estas directrices proporcionan una base sólida para diseñar piezas robustas. ¿Listo para reforzar una pieza usted mismo? ¡Explore la Mark Two hoy!