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如何高效利用纤维铺设打造高强度3D打印零件
发表时间:2018-5-16

纤维填充方式类型

(选择正确的纤维铺设选项不仅可以节省时间和材料,且能保证高强度质量)

Markforged高强度3D打印机为您提供两种不同的纤维填充方式,用于增强3D打印零件强度:各向同性纤维填充或同心轴纤维填充。您可以在“零件视图”页面中全局应用这两个选项,或者在“内部视图”页面中逐层应用这两个选项。独特的纤维填充方式为用户提供了更多零件加强方式的选择:每种填充类型都有自己的优势和劣势,我们将在下面介绍。如果您没有Markforged打印机并且想要测试下面列出的一些技巧,请通过Eiger软件自行尝试这些选项。
首先,规定一些标准的命名方式,以便每个指标都能在同一界面上显示。我会经常提到不同轴和平面的强度,所以使用规定命名方式以作为参考标准:

(本文中用上图示例作为参考标准来定义打印机的轴,面)

同心轴填充加固方式
同心轴填充方式只需在零件外部轮廓内边缘设计出特定数量的纤维外壳,这将有助于增强Z轴周围的抗弯曲力。通过这种方式基本上加强了零件的外壁,防止其受力变形。

(通过同心轴方式填充纤维材料的无人机手臂,可增加抗弯曲强度并减轻重量)

同心轴填充方式往往需要更长的时间,因为打印头的移动不再是线性的,因此必须降低打印速度以保证打印头具备精确的路径跟踪形成曲线铺设。在这种填充类型中,打印头沿着零件的最外侧轮廓曲率逐层向内旋转,所以曲率越复杂,所需的时间越长。使用同心轴填充方式时,您可以设计所需的纤维环数,以便您可以很好地控制每层所使用的纤维量。
各向同性填充加固方式
Markforged的连续纤维3D打印机还可以选择各向同性纤维填充方式加固打印零件 - 这种方式模拟了传统层压复合材料的单个单向层走丝路径:通过将所有纤维在单个角度方向上相互平行布线,并在路径到达零件边缘时旋转180度后继续铺设纤维。随后各向同性纤维层被Eiger软件以45度角自动旋转进行下一层的打印,以此类推,每层都与上一层相差45度角,值得一提的是打印取向是可以进行自定义设置的。各向同性纤维填充方式有助于抵制XY平面内的弯曲,因为在该平面中施加的任何弯曲力都会对纤维产生拉伸载荷。各向同性纤维也可用于设置夹心板以增加该平面上的抗扭强度,我将在稍后介绍。

 

(几层各向同性纤维填充层,纤维铺设方向为默认设置)

您可能会注意到的一件事是,在选择各向同性纤维铺设方式下,默认会在零件外边轮廓用同心轴方式铺设2层纤维。这确保了平滑加强的外表面,因为最外面的纤维总是连续的并且平行于部件的边缘。虽然各向同性纤维对于增强每个零件的整个平面非常有用,但是由于纤维材料比较昂贵且耗时较长,故设计上不一定需要100%添加纤维层。
基本纤维铺设技术
通过Eiger软件中的这两种纤维铺设选项可以组合出多种不同的纤维铺设加强模型。这类术可以帮助您节省金钱,材料和打印时间,让您只在必要的环节、点位加强即可。
单层夹心板
夹心板是一种常用的复合层板技术,用于增强复合板产生的表面周围的抗扭转力。夹心板是工字梁的复合等效物,其坚硬的材料构成了零件的顶部和底部 - 顶部和底部平面经受最大的弯曲应力,因此它们经常是最需要强化的部分。如果您不希望自己的零件在XY平面上发生扭曲,则夹心板可以提高零件的抗扭转强度。

(工字梁梁这样的夹心板主要在零件顶部和底部进行加强,以最大限度地提高强度并减轻重量为目的)

一旦勾选“使用纤维”选项,Eiger软件将自动生成此夹心面板。但是,只有对称型零件才能实现这个功能,因为它可以将纤维放置在零件的顶层和底层。在下图中,请注意制动杆的顶部实际上是一个小挤出物,因此需要手动添加纤维层,将纤维放置在靠近零件顶部的最大表面下更有意义。 一般来说,最好有一个由具有非常相似横截面积的层组成的夹心板。

(此制动杆与默认夹心板设置。 由于该零件并非对称结构,因此需要调整其纤维铺设设置)

(通过改变顶层的位置就可以制作夹心面板)

为了使夹心板平整,请确保您希望加强的顶部和底部表面上有相同数量的各向同性纤维层。 夹心板需要均匀,如若不是,则当向零件一侧施加压力时,可能会在另一侧上出现折断或弯曲。由于零件中心的各向同性纤维层对零件的弯曲强度的影响较小,因此不需要用纤维完全填充零件亦可达到应有的强度。

(弯曲应力在工字梁轮廓上的分布)

纤维周长
虽然夹心板增加了XY平面周围的强度,但创建纤维周长将使您的零件在Z轴周围变得更加牢固。 通过在零件的每一层上使用“同心轴填充”选项,可以增加围绕Z轴弯曲的强度。 正如我前面提到的,同心轴填充方式增强了您的零件的内壁抗压强度,因此在您的零件中创建纤维周边会使这些零件外壁更难以弯曲。 这就是为什么许多工程材料采用C通道或管道而不是块的形式:减轻重量但保持强度。
要在您的零件中设置纤维周长,请在要增强的层上使用同心轴填充。通过增加同心纤维环的数量或增加使用同心环的层数,可以增加零件围绕Z轴的强度。 下面的制动杆将经受围绕Z轴的弯曲应力,我使用3个同心纤维环使得每层能达到最大化刚度。就像夹心板一样,零件中间的弯曲应力最小,所以不需要用环一直加强到中心位置。

(制动杆只需要抵抗围绕Z轴的弯曲力,因此只需同心轴方式填充即可)

外壳加固
如果你的零件需要增加每个轴上的抗弯曲强度,亦或您不太清楚它们应如何加强,都可以通过这两种技术的结合在各个轴上加强抗弯曲力。在顶部和底部夹有一块夹心板,夹层之间有纤维外壳,使您的零件各轴抗弯强度均得到提高。这种用于重型机器人应用的电机支架需要加强,因可能会遇到来自任何方向的负载,所以需要从各个平面来加强零件。

(用于高强度应用的大型电机支架)

我希望这是一个非常坚固的零件,所以我选择了20层各向同性纤维夹心板(每侧10个)。 但是,由于零件顶部的螺栓孔挤出,我需要调整顶层纤维“面板”并将其放置在零件螺栓孔的下方。

(带有夹心板加固的电机支架)

图中底部的横条允许您移动光标查看不同截面上的纤维显示及使用量,标准化为最大数量的纤维。在上图中您可以看到零件两端各向同性夹心板纤维加固样式。现在我可以选择两个“面板”之间的中心区域,创建一个纤维组,并将纤维铺设选项设置为铺设2个同心光纤环。

(夹心板之间的同心轴纤维层在部件内部形成纤维外壳,以实现最佳强度)

这个零件现在通过使用各向同性和同心轴两种纤维填充方式使得零件能更能有效的抵抗弯曲。通过了解每种纤维填充配置如何增强零件的性能,您可以结合这种简单的技巧来提高零件性能和打印时间,同时不会过度浪费纤维。

亿达四方公司背景:

北京亿达四方信息技术有限公司作为美国Stratasys公司授权经销商,为北京奔驰提供Stratasys F123系列3D打印机的选型和技术服务,为了给广大客户提供更加专业和完善的3D打印解决方案,亿达四方公司成立了子公司——华融普瑞(北京)科技有限公司作为各个行业最专业3D打印设备及材料定制研发供应商,欢迎客户咨询洽谈: www.3dpways.com  Tel:400-707-5008

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