Verstärkung von 3D-gedruckten Teilen mit effizienter Faserverlegung: Teil 1

Durch die Wahl der richtigen Faserverlegeoption können Sie Zeit und Material sparen, während die Festigkeit erhalten bleibt.

Unsere hochfesten 3D-Drucker bieten Ihnen zwei verschiedene Faserfüllstrategien zur Verstärkung von 3D-Druckteilen: Isotrope Faser oder Konzentrische Faser. Sie können diese beiden Optionen global auf der Seite Teileansicht oder schichtweise auf der Seite Innenansicht anwenden. Der einzigartige verstärkte 3D-Druckprozess bietet den Anwendern eine Reihe von Verstärkungstaktiken, aus denen sie wählen können: Jeder Fülltyp hat seine eigenen Stärken und Schwächen, die wir im Folgenden beschreiben. Wenn Sie keinen Markforged-Drucker haben und mit einigen der unten aufgeführten Tipps experimentieren möchten, können Sie eine Eiger-Testversion anfordern, um diese Taktiken selbst auszuprobieren.

Zunächst einige Standard-Namenskonventionen, damit alle auf der gleichen Seite sind. Ich werde mich häufig auf die Stärke in verschiedenen Achsen und Ebenen beziehen, also verwenden Sie diesen Schlüssel als Leitfaden:

Wie wir die Achsen unseres Druckers definieren, eine Konvention, die ich in diesem Beitrag verwenden werde.

Beim konzentrischen Füllen wird einfach eine bestimmte Anzahl von Schalen innerhalb der Außenkonturen Ihres Teils nachgezogen, was dazu beiträgt, dass sich das Teil nicht um die Z-Achse biegt. Auf diese Weise werden im Wesentlichen die Wände des Teils verstärkt, wodurch eine Verformung der Wände verhindert wird.

‍Ein Drohnenarm mit konzentrischer Füllverstärkung zur Erhöhung der Biegefestigkeit und Gewichtseinsparung.

Das konzentrische Füllen dauert in der Regel länger, da die Bewegungen des Druckkopfs nicht mehr linear sind und der Druckkopf daher die Geschwindigkeit reduzieren muss, um eine genaue Werkzeugbahnverfolgung um die Kurven zu gewährleisten. Bei dieser Art des Füllens folgt der Druckkopf der äußeren Krümmung des Teils, während es sich spiralförmig nach innen bewegt; je komplexer diese Krümmung ist, desto länger dauert es. Beim konzentrischen Füllen können Sie angeben, wie viele Faserringe die Kontur Ihres Teils nachzeichnen sollen, so dass Sie eine gute Kontrolle darüber haben, wie viel Faser Sie pro Schicht verwenden.

Unsere 3D-Drucker für Endlosfasern können auch mit einem isotropen Faserfüllmuster drucken – dies simuliert die einzelnen unidirektionalen Schichten eines herkömmlichen laminierten Verbundstoffs. Das Muster erzeugt effektiv ein unidirektionales “Blatt” aus Fasern auf jeder Schicht, auf die Sie es anwenden, indem alle Fasern parallel zueinander in einer einzigen Winkelausrichtung verlegt werden, mit 180-Grad-Drehungen, wenn der Pfad die Kante des Teils erreicht. Nachfolgende Isotropic Fiber Lagen in einer Fasergruppe werden von Eiger automatisch in einem Winkel von 45 Grad zur Ausrichtung der Fasern in der vorangegangenen Lage gedreht, obwohl natürlich auch benutzerdefinierte Ausrichtungsmuster möglich sind, auf die wir im zweiten Teil dieses Beitrags eingehen werden. Das Isotropic Fiber Füllmuster hilft, der Biegung in der XY-Ebene zu widerstehen, da alle Biegekräfte, die in dieser Ebene wirken, eine Zugbelastung auf zumindest einige der Fasern erzeugen, die bei Zug am stärksten sind. Isotrope Fasern können auch für den Aufbau von Sandwichplatten verwendet werden, um die Torsionsfestigkeit in dieser Ebene zu erhöhen, was ich später beschreibe.

Einige Schichten isotroper Faserfüllung. Die Faserrichtung rotiert standardmäßig.

Sie werden feststellen, dass isotrope Fasern standardmäßig 2 konzentrische Faserringe um die Außenseite des Teils legen. Dies gewährleistet eine gleichmäßig verstärkte Außenfläche, da die äußersten Fasern immer durchgängig und parallel zur Kante des Teils verlaufen. Isotrope Fasern eignen sich zwar hervorragend für die Verstärkung der gesamten Ebene eines Teils, sind aber faser- und zeitaufwändig und für die Herstellung stabiler Teile nicht immer erforderlich.

Mit diesen beiden Faserverlegungsoptionen in Ihrem Werkzeugkasten gibt es nun viele verschiedene Verstärkungsoptionen, die beide Optionen nutzen und kombinieren. Diese Techniken können Ihnen helfen, Geld, Material und Druckzeit zu sparen, da Sie nur dort verstärken, wo Sie es brauchen.

Einzelne Sandwichplatte
Ein Sandwich-Paneel ist eine gängige Verbundwerkstoff-Layup-Technik, um die Oberfläche, die die Verbundwerkstoffplatte bildet, gegen Torsion zu verstärken. Wie in diesem Blogbeitrag beschrieben, ist eine Sandwichplatte das Verbundwerkstoff-Äquivalent eines I-Trägers, bei dem ein steifes, starkes Material die Ober- und Unterseite eines Teils bildet – die Ober- und Unterseite werden am stärksten auf Biegung beansprucht und sind daher oft am meisten verstärkt. Wenn Sie wissen, dass Ihr Teil einer Torsion in der XY-Ebene ausgesetzt sein wird, verbessert eine Sandwichplatte die Torsionsfestigkeit des Teils.

Eine Sandwichplatte ist wie ein I-Träger hauptsächlich an der Ober- und Unterseite verstärkt, um die Festigkeit zu maximieren und das Gewicht zu minimieren.

Unsere Software erzeugt automatisch eine Sandwichplatte, wenn “Faser verwenden” ausgewählt ist. Dies sollte jedoch nur dann erfolgen, wenn Ihr Teil symmetrisch ist, da die Faser in den oberen und unteren Schichten Ihres Teils verlegt wird. In der Abbildung unten sehen Sie, dass die Oberseite des Bremshebels eigentlich eine kleine Extrusion ist, so dass die Fasern manuell hinzugefügt werden müssen – es ist sinnvoller, die Fasern unter der größten Fläche nahe der Oberseite des Teils zu platzieren. Im Allgemeinen ist es am besten, eine Sandwichplatte zu haben, die aus Schichten mit sehr ähnlichen Querschnittsflächen besteht.

‍Dieser Bremshebel mit den Standardeinstellungen der Sandwichplatte. Da das Teil asymmetrisch ist, müssen seine Fasereinstellungen angepasst werden.

Indem ich die Platzierung der obersten Schicht ändere, kann ich die Sandwichplatte eben machen.

Damit das Sandwich gleichmäßig ist, muss sichergestellt werden, dass die Anzahl der isotropen Schichten auf der Ober- und Unterseite, die verstärkt werden soll, gleich ist. Sandwich-Paneele müssen gleichmäßig sein, andernfalls lässt sich das Bauteil in einer Richtung stärker biegen als in der anderen und kann in einer Richtung leichter brechen oder sich verziehen. Je mehr Faserschichten auf beiden Seiten vorhanden sind und je größer der Abstand zwischen den einzelnen Schichten ist, desto stabiler wird das Teil sein. Isotrope Faserschichten in der Mitte des Teils wirken sich weniger stark auf die Biegefestigkeit des Teils aus, so dass es nicht notwendig ist, ein Teil vollständig mit Fasern zu füllen, um die Biegefestigkeit zu erhöhen.

‍‍Die Verteilung der Biegespannung auf dem Profil eines Trägers.

Während die Sandwichverkleidung die Festigkeit um die XY-Ebene herum erhöht, wird Ihr Teil durch die Erstellung eines Faserumfangs um die Z-Achse herum stärker. Indem Sie die Option Konzentrische Füllung auf jeder Schicht Ihres Teils verwenden, können Sie die Festigkeit beim Biegen um die Z-Achse erhöhen. Wie bereits erwähnt, verstärkt die konzentrische Füllung die Wände Ihres Teils, so dass das Erzeugen eines Faserumfangs in Ihrem Teil die Biegung dieser Wände erheblich erschwert. Aus diesem Grund haben viele technische Materialien die Form von C-Kanälen oder Rohren anstelle von Blöcken: um Gewicht zu reduzieren, aber die Festigkeit zu erhalten.

Um einen Faserumfang in Ihrem Teil einzurichten, verwenden Sie konzentrische Füllungen in den Schichten, die Sie verstärken möchten. Indem Sie die Anzahl der konzentrischen Ringe oder die Lagen, in denen konzentrische Ringe verwendet werden, erhöhen, können Sie die Festigkeit des Teils um die Z-Achse erhöhen. Der unten abgebildete Bremshebel wird einer Biegebeanspruchung um die Z-Achse ausgesetzt sein, daher habe ich jede Lage mit 3 Ringen aus konzentrischen Fasern verstärkt, um die Steifigkeit zu maximieren. Wie bei Sandwichplatten ist die Biegespannung in der Mitte des Teils am geringsten, so dass das Teil nicht bis zur Mitte mit Ringen verstärkt werden muss.

Der Bremshebel muss nur der Biegung um die Z-Achse widerstehen, daher ist nur eine konzentrische Füllung erforderlich.

Was ist, wenn Ihre Teile in jeder Achse eine erhöhte Biegesteifigkeit aufweisen müssen oder Sie nicht genau wissen, wie sie belastet werden sollen? Durch die Kombination dieser beiden Techniken können Sie Teile gegen Biegung um jede Achse verstärken. Mit einer Sandwichplatte an der Ober- und Unterseite und dazwischen liegenden Faserschalen wird die Biegesteifigkeit Ihres Teils in jeder Achse verbessert. Diese Motorhalterung für eine Hochleistungsroboteranwendung muss stark sein, kann aber Belastungen aus allen Richtungen ausgesetzt sein, so dass sie von allen Seiten stark verstärkt werden muss.

‍Eine große Motorhalterung für eine hochfeste Anwendung.

Ich möchte, dass dieses Teil sehr robust ist, und habe daher 20 Lagen isotroper Faser-Sandwichplatten (10 pro Seite) gewählt. Wegen der Bolzenloch-Extrusionen auf der Oberseite des Teils muss ich jedoch die obere Faser-“Platte” anpassen und unter der Oberseite des Teils platzieren.

‍Die Motorhalterung mit einfacher Sandwichplattenverstärkung.

Die Leiste am unteren Rand ermöglicht Ihnen die Steuerung verschiedener Faserabschnitte und zeigt an, wie viel Faser jede Schicht hat, normalisiert auf die größte Fasermenge. In der Abbildung oben sehen Sie zwei Abschnitte der Faserverstärkung für ein einfaches isotropes Sandwich-Paneel. Jetzt kann ich den mittleren Bereich zwischen den beiden “Paneelen” auswählen, eine Gruppe erstellen und das Faserrouting auf Konzentrische Faserfüllung mit 2 konzentrischen Faserringen einstellen.

‍Konzentrische Fasern zwischen den Sandwichpaneelen bilden eine Faserschale im Inneren des Teils und sorgen so für optimale Festigkeit.

Dieses Teil wird nun durch die Verwendung von isotropen und konzentrischen Faserfüllungen effizient beim Biegen verstärkt. Wenn Sie verstehen, wie jede Art von Faserfüllungskonfiguration ein Teil verstärkt, können Sie einfache Tricks wie diesen entwickeln, um die Teileleistung und die Druckzeit zu verbessern, ohne unnötige Fasern zu verschwenden. Achten Sie auf den zweiten Teil dieses Beitrags, in dem wir fortgeschrittenere Techniken zur Optimierung der Bauteilfestigkeit mit Hilfe der Faserausrichtung behandeln werden!

Möchten Sie mehr erfahren? Fordern Sie eine Eiger-Testversion an, um mit unserer Software und den Faserverstärkungsoptionen zu experimentieren. Schauen Sie sich auch den zweiten Teil dieses Beitrags an, in dem es um fortgeschrittene Techniken der Faserverlegung geht!