MMF #3:Engsel Hidup Bertulang Serat Cukup Kuat untuk Berdiri

Fitur Mekanik MarkForged [MMF] adalah serangkaian posting blog yang merinci praktik terbaik untuk merancang bagian teknik tradisional yang umum dan fitur mekanis untuk pencetakan 3D yang diperkuat komposit dengan printer MarkForged.

Kekuatan bagian vertikal yang buruk umum terjadi di antara printer 3D FFF (Fused Filament Fabrication) terutama saat dimuat dalam tegangan. Pada teknologi 3D printing ini ikatan sepanjang sumbu vertikal lebih lemah dibandingkan kekuatan bahan penyusunnya karena pada setiap bagian terdapat ratusan lapisan yang saling menempel di sepanjang sumbu vertikal, sehingga hubungan antar setiap lapisan berperilaku seperti jahitan atau sambungan. retak saat dimuat. Kekuatan lapisan dalam bidang lebih tinggi daripada adhesi antar lapisan karena plastik di setiap lapisan diletakkan sebagai ekstrudat kontinu dan menunjukkan sifat kekuatan dari bahan bagian itu sendiri. Pada Tanda Dua, perbedaan arah dalam kekuatan (atau anisotropi) juga terjadi dengan proses Continuous Filament Fabrication (CFF) kami — semua serat komposit yang kami kerjakan memiliki kekuatan tarik yang mengesankan, tetapi karena mereka diletakkan di sepanjang bidang yang sejajar dengan membangun pelat, kekuatan itu tidak langsung diterjemahkan ke dalam sumbu vertikal. Desain yang tepat untuk bagian cetakan 3D melibatkan penyesuaian geometri komponen sedemikian rupa sehingga sebagian besar akan dimuat di bidang horizontal, dan bagian yang dibuat oleh printer Markforged tidak terkecuali. Namun dengan beberapa trik desain yang rapi, Anda dapat mengatasi masalah ini dan membuat komponen cetak 3D yang kuat industri pada Mark Two dengan lebih banyak sifat isotropik.

Jika Anda pernah menangani bahan kami sebelumnya, Anda mungkin telah memperhatikan bahwa nilon kami sebenarnya bisa sangat fleksibel dengan sendirinya. Hal ini memungkinkan desain engsel hidup, atau bagian fleksibel dari komponen yang dapat membentuk sambungan atau engsel tanpa memerlukan perakitan. Pelajari lebih lanjut tentang mendesain engsel hidup dan elemen lentur di sini.

Sementara penguat serat pada printer Markforged dapat membuat nilon sedikit kaku, Anda dapat menggunakan Kevlar® untuk membuat engsel hidup yang diperkuat serat Dalam struktur cetak 3D lipat ini, nilon memberikan fleksibilitas, dan serat memberikan kekuatan sambungan. Dengan sedikit origami yang diperkuat serat, Anda dapat mendesain bagian kerangka dengan bahan pendukung minimal yang kuat ke segala arah. Ini contohnya:

Bagian seperti ini akan memakan banyak waktu dan bahan pendukung untuk dicetak seperti yang ditunjukkan, dan itu akan menjadi sangat lemah di sepanjang sumbu vertikal, jadi saya merancang untuk mencetaknya seperti ini:

Melihat tata letak serat di Eiger, Anda hanya akan melihat satu lapisan Kevlar berpola konsentris dalam cetakan ini. Saya memilih untuk menggunakan Kevlar karena meskipun serat karbon dan fiberglass lebih kuat, Kevlar adalah bahan paling fleksibel yang kami tawarkan dan mempertahankan sebagian besar kekuatan tariknya bahkan saat ditekuk pada sudut yang tajam. Serat karbon dan fiberglass jauh lebih kaku dan akan retak pada radius tikungan yang dapat ditangani oleh Kevlar tanpa masalah. Satu lapisan Kevlar memberikan kekuatan yang cukup bagi bola ini untuk menahan beban beberapa puluh kilogram, tetapi cukup fleksibel agar sambungannya dapat terlipat dengan baik.

Setelah mendesain polihedron, saya menaikkan taruhannya untuk melihat apakah saya dapat mencetak 3D sesuatu yang dapat dilipat yang cukup kuat untuk menopang berat badan saya. Saya memutuskan untuk membuatnya tetap sederhana dan mendesain kubus Kevlar yang dapat dilipat di Autodesk Fusion 360. Saya membutuhkan metode untuk menyatukan permukaan kubus, dan sambungan untuk menghubungkan permukaan yang tidak berdekatan secara langsung. Saya mulai dengan memodelkan empat wajah kubus, masing-masing sebagai komponen terpisah, sehingga saya dapat memanipulasi di lingkungan CAD untuk mensimulasikan perilaku pelipatan yang saya inginkan untuk sambungan saya. Untuk mengamankan sambungan antara setiap permukaan, saya merancang sambungan pas sehingga saat Anda melipat setiap wajah ke dalam orientasi yang benar, wajah akan terkunci di tempatnya dan pas pas akan mencegah kubus terbuka atau berubah bentuk.

Saya juga menambahkan tanggam kecil dan sambungan duri ke tepi yang akan terhubung setelah wajah paling kiri bertemu dengan yang paling kanan.

Saya kemudian memutuskan untuk mencoba sesuatu yang menarik dengan dua sisi kotak yang tersisa – di setiap tepi yang tersisa, saya merancang bagian dari setiap sisi. Setiap bagian memiliki tab twist-fit dan potongan untuk tab yang sesuai di bagian yang berdekatan. Setelah kotak dilipat, semua ini dapat disatukan untuk membentuk dua sisi yang tersisa. Pada gambar di bawah, saya membuat salah satu bagian transparan untuk menunjukkan talang yang saya tambahkan untuk membuat sambungan pas yang bergantung pada fleksibilitas bahan yang akan dipelintir ke tempatnya.

Setelah geometri masing-masing wajah diatur dalam batu, saya "membuka" kubus dalam CAD sehingga semua badan diletakkan rata dalam orientasi yang saya inginkan untuk dicetak. Anda akan melihat pada gambar di bawah bahwa masing-masing komponen bertemu di sepanjang tepinya — mereka belum terhubung. Pada titik ini, saya masih perlu menggabungkannya menjadi satu bagian yang menyatu dengan menambahkan lapisan yang diperlukan untuk membuat engsel yang hidup.

Untuk melakukan ini, saya menangkap profil permukaan bawah setiap komponen dan mengekstrusinya sebesar 0,875 mm, dan menggabungkan semua bodi yang terpisah menjadi satu. Ini memberikan ketebalan pada engsel hidup:ketebalan 0,875 mm menambahkan bahan yang cukup untuk satu lapisan Kevlar agar muat di dalam dan membuat engsel hidup yang diperkuat serat. Perhatikan di bawah bahwa sekarang setiap tepi tempat komponen terpisah bertemu sekarang memiliki ketebalan.

Dan inilah tampilan lengkap dari bagian yang ditata dan siap untuk dicetak:

Di Eiger, saya meletakkan cincin serat konsentris pada lapisan Kevlar pertama untuk membuat dan memperkuat sambungan. Untuk memperkuat bagian lainnya, saya membuat panel sandwich mulai dari setiap permukaan di atas lapisan Kevlar pertama. Seperti yang telah kami jelaskan di posting yang lebih lama, panel sandwich sangat penting untuk material komposit karena memberikan kekuatan tinggi dengan bobot rendah. Panel sandwich memperkuat setiap permukaan kubus untuk membuatnya menjadi komponen cetak 3D yang kuat dan kaku – perlu diingat bahwa setiap permukaan hanya setebal 3 mm. Saya juga dapat memasukkan Kevlar ke dalam sambungan snap fit untuk memperkuat fitur kecilnya, yang telah kita bahas di posting sebelumnya. GIF di bawah ini menunjukkan beberapa lapisan pertama, termasuk lapisan engsel hidup yang diperkuat Kevlar (lapisan 5), dan lapisan bawah panel sandwich (lapisan 6-8).

Setelah dicetak, saya menyatukan semuanya dan memutar sambungan panel samping, dan membuat kubus lipat 3D yang dapat dilipat dengan beberapa penguat Kevlar!

Setiap sisi kubus memberikan penguatan besar baik dalam ketegangan dan kelenturan, membuat kubus secara keseluruhan sangat sulit untuk dikompresi dan isometrik di sepanjang tiga sumbu utama. Saya mampu menempatkan seluruh berat badan saya di atasnya (sekitar 130 lbs) bahkan tanpa saran deformasi. Saya orang yang cukup kecil, jadi saya melakukan tes yang jauh lebih ketat. Saya tidak mendapatkan bacaan yang sangat baik tetapi saya memperkirakan itu menahan sekitar 300-400 pound sebelum gagal. Inilah yang terjadi:

Jadi setelah beberapa ratus pound, hal yang paling mengejutkan adalah bahwa bagian itu tidak benar-benar pecah, semua sambungannya terlepas begitu saja dan seluruh kubus menjadi rata, jadi dengan sedikit meluruskannya dapat dikembalikan ke bentuk aslinya. Jadi, dengan membuat struktur yang dapat dilipat dengan engsel hidup yang diperkuat serat, Anda dapat membuat beberapa bagian cetakan 3D yang sangat kuat ke segala arah.

Ingin mencetak ini sendiri? Unduh file STL atau .mfp!

Ingin menguji kekuatannya sendiri? Pesan bagian sampel gratis di sini!