Effiziente Fiber-Routing-Techniken Teil 2: Erweiterte Routing-Optionen

Das Design für den 3D-Druck erfordert genauso viel Arbeit wie das Design für jedes andere Fertigungsverfahren, und insbesondere bei unserem hochfesten 3D-Drucker ist die Berücksichtigung Ihrer Fertigungsmethode von wesentlicher Bedeutung. Es gibt einige Geometrien und Techniken, die für einige Verfahren sehr gut geeignet sind, für andere weniger – wir hoffen, Sie dazu zu ermutigen, darüber nachzudenken, wie Sie unsere einzigartige Faserfräsmethode effizient und effektiv einsetzen können, um die Festigkeit Ihrer 3D-Druckteile zu erhöhen. Letzte Woche haben wir uns mit einigen grundlegenden Faserfrästechniken beschäftigt, darunter Sandwichpaneele, Umfangsverstärkung und Schalen, und beschrieben, was die verschiedenen Verstärkungsoptionen bewirken und wie man sie richtig einsetzt. In diesem Beitrag werde ich einige der Konzepte aus dem Beitrag von letzter Woche vertiefen und zeigen, wie Sie Ihre Teile mit fortschrittlicheren Faserfrästechniken verstärken können.

Während bei der konzentrischen Verstärkung der Umfang des Teils mit Fasern verstärkt wird, ist es manchmal notwendig, für eine bestimmte Richtung oder ein bestimmtes Belastungsszenario zu verstärken. In vielen Fällen erfordern die von Ihnen gedruckten Teile eine Verstärkung in bestimmten Bereichen, die auf einer bekannten Belastungsbedingung basieren. Sie können die Festigkeit Ihres Teils effizient verbessern, indem Sie die Fasern mit unserer Option “Faserwinkel” in diese Richtung ausrichten.

Herkömmliche Verbundwerkstoffe bestehen aus vielen Schichten von Verbundfasern, und in jeder Schicht sind die Fasern in einer bestimmten Richtung, dem “Faserwinkel”, angeordnet. Um eine einheitliche Verbundfaserschicht zu erzeugen, wird jede Schicht um einen bestimmten Winkel gegenüber der vorherigen gedreht, bis schließlich die gesamte Verbundfaserschicht quasi-isotrop ist.

Ein traditioneller Kohlenstofffaseraufbau mit unterschiedlichen Faserwinkeln pro Lage.

Wenn Sie die Festigkeit in einer bestimmten Richtung benötigen, müssen Sie die Faserbahnen nicht ständig drehen, sondern können sie alle in eine oder einige wenige Schlüsselrichtungen ausrichten. Die Fasern richten sich nach dem Belastungszustand des Teils aus und optimieren so die Festigkeit des Teils in dieser Richtung. Bei dem unten abgebildeten Teil handelt es sich um einen Drohnenarm, der in erster Linie entlang der Länge des Arms verstärkt werden muss, damit er sich nicht verbiegt. Standardmäßig drehen sich die Faserwinkel, wenn Sie mit isotroper Füllung verstärken, um ein quasi-isotropes Geflecht zu simulieren.

Um dieses Teil effizient zu verstärken, können Sie die Einstellungen eines isotropen Füllteils bearbeiten (entweder in der Außen- oder Innenansicht) und die Faserwinkel jeder verstärkten Schicht auf 0 setzen. Sie können dies für eine Gruppe von Fasern oder für eine einzelne Schicht tun. Dadurch wird die Steifigkeit des Teils über die Länge des Arms maximiert.

‍Durch die Einstellung des Faserwinkels bestimmter Schichten oder Gruppen können Sie die Festigkeit Ihres Teils in einer bestimmten Richtung optimieren.

Diese Technik kann auch auf mehrere Richtungen ausgedehnt werden – wenn es zwei Hauptrichtungen gibt, die verstärkt werden müssen, können Sie die Faserwinkel so einstellen, dass sie zwischen den beiden Richtungen rotieren, um das Teil in beiden Richtungen stabil zu machen.

‍Sie können auch die Faserwinkel so einstellen, dass sie sich um bestimmte Winkel drehen.

Beim Faserstriping werden mehrere übereinanderliegende Sandwichplatten verwendet, um das Teil beim Biegen in der XY-Ebene weiter zu versteifen. Wenn Sie ein dickeres Teil mit einem ziemlich gleichmäßigen Querschnitt haben, können Sie das Teil mit Hilfe von Faserstriping weiter versteifen, indem Sie Sandwichplatten übereinanderlegen, um ihm eine gleichmäßigere Faserverstärkung und eine viel höhere Torsionsfestigkeit zu verleihen.

‍Faserstreifen können eine höhere Torsionsfestigkeit bei ebener Biegung mit übereinanderliegenden Sandwichplatten erreichen.

Während Faserstreifen und -schalen in der Regel am besten für Teile mit relativ gleichmäßigem Querschnitt geeignet sind, ist es manchmal sinnvoller, bestimmte Abschnitte oder Merkmale des Teils zu verstärken, als sie mit gleichmäßig verteilten Faserstreifen zu verstärken. In diesen Fällen müssen einige Überlegungen angestellt werden, damit Ihre Sandwichplatten gleichmäßig bleiben. Das unten abgebildete Teil, eine hintere Fußrastenhalterung für ein Motorrad des Kunden STS Turbo, lässt sich in zwei Abschnitte unterteilen: das obere Flügelteil, das verhindert, dass der Fuß des Fahrers zu nahe an die Aufhängung des Hinterreifens gerät, und den tragenden Halterungsabschnitt mit Schraubenlöchern zur Befestigung der Fußraste und zur Montage am Rest des Motorrads.

Jeder Abschnitt dieses Teils muss anders verstärkt werden – eine Sandwichplatte, die sich über die gesamte Höhe des Teils erstreckt, wäre unausgewogen.

Das Bauteil muss steif und biegesteif sein, aber eine Standard-Sandwichplatte kann das Bauteil nicht so verstärken, wie wir es brauchen – das Hinzufügen von Fasern in den obersten und untersten Schichten führt zu einer ungleichmäßigen Sandwichplatte und damit zum Versagen des Bauteils. Um dieses Problem zu umgehen, können wir zwei gleichmäßige Abschnitte der Sandwichplatte erstellen – einen, der den Fußschutzabschnitt des Teils umschließt, und einen, der das Segment der Halterung des Teils umschließt. Dies wird als selektive Verstärkung bezeichnet – wir definieren bestimmte Bereiche, die verstärkt werden müssen, und stellen sicher, dass die Sandwichplatten jeden Bereich gleichmäßig begrenzen.

‍‍Jeder Abschnitt ist mit einer ausgewogenen Sandwichplatte für eine optimierte Verstärkung verstärkt.

Das Teil muss dann um die Bolzenlöcher herum weiter verstärkt werden, um die Festigkeit des Teils lokal zu verbessern und das Gewicht des Fußbolzens zu tragen, der mit dem Fußbolzen-Distanzstück am oberen Ende des Teils verschraubt ist.

Die Granularität der Steuerung auf Schichtebene, die Eiger bietet, ermöglicht es Ihnen, auf mehr als eine Weise effizient zu verstärken – alle diese Methoden dienen als Richtlinien für die Verstärkung und können auf viele verschiedene Arten zusammen verwendet werden. Im Beitrag von letzter Woche habe ich beschrieben, wie das Schalen mit isotroper und konzentrischer Füllung ein stärkeres Teil gewährleisten kann, und ähnliche Verfahren können mit diesen Techniken implementiert werden.

Das Beispiel der Fußrastenbefestigung, das ich oben verwendet habe, ist eine effiziente Faserverlegungsmethode, um einer Biegung in der Ebene mit selektiver Verstärkung zu widerstehen, erfordert aber möglicherweise mehr Festigkeit für eine zuverlässige und robuste Lösung. Der Flügelteil des Teils ist nicht tragend, sollte aber einer Biegung in der Ebene widerstehen, während der Teil mit dem Befestigungsmuster Druckbelastungen durch die Schrauben, die ihn festhalten, und Torsionsbelastungen ausgesetzt ist, da der Fußraste das Gewicht des Fahrers trägt. Zur Verstärkung der Bolzenlöcher füge ich einen Abschnitt aus Lagen unter der Senkbohrung ein. Dieser Faserabschnitt liegt relativ mittig in seinem Bereich, so dass eine weitere Lage zum Ausgleich des Sandwichs nicht erforderlich ist.

‍‍Ein Mittelteil aus Kohlefaser verstärkt das Schraubenloch und bietet zusätzliche Biegefestigkeit.

Als Nächstes werde ich den unteren Bereich des Teils ummanteln, um seine Festigkeit bei der Biegung um die Z-Achse zu verbessern, damit es dem Gewicht des Fahrers standhält, wie ich in unserem vorherigen Beitrag beschrieben habe. Zum Schluss werde ich eine konzentrische Faserverstärkung an der Spitze des Teils anbringen. Dies erhöht die Druckfestigkeit des Teils, sobald der Fußraste angeschraubt ist, und verbessert die Torsionsfestigkeit des Teils, so dass sich die Fußraste nicht nach unten und aus dem Loch herausdreht.

Dieses Teil wurde nun mit mehreren Techniken verstärkt, um die Festigkeit des Teils in verschiedenen Bereichen zu verbessern.

Nun wird das Bauteil selektiv verstärkt, wobei verschiedene Faserverlegetechniken zum Einsatz kommen, die in dieser Artikelserie behandelt werden. Wenn Sie Fragen haben, lassen Sie es uns bitte wissen, und ich hoffe, dass wir Ihnen helfen konnten, Ihr Gespür für das Verlegen von Fasern zu verbessern!

Die gedruckte Fußrastenhalterung mit optimierter Verstärkung.

Wenn Sie noch keinen Markforged-Drucker haben, aber einen in Aktion sehen möchten, können Sie hier eine Demo anfordern und unsere Eiger-Software ausprobieren.