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MMF #3:서 있을 수 있을 정도로 강한 섬유 강화 생활 경첩

MarkForged 기계적 기능[MMF]은 MarkForged 프린터를 사용한 복합 강화 3D 인쇄를 위한 일반적인 기존 엔지니어링 부품 및 기계적 기능을 설계하기 위한 모범 사례를 자세히 설명하는 일련의 블로그 게시물입니다.

FFF(Fused Filament Fabrication) 3D 프린터에서는 특히 장력이 가해질 때 수직 부품 강도가 좋지 않은 경우가 많습니다. 이러한 3D 프린팅 기술에서 수직 축을 따른 결합은 구성 재료의 강도보다 약합니다. 각 부품에는 수직 축을 따라 수백 개의 층이 서로 접착되어 있으므로 각 층 사이의 연결이 이음새 또는 로드시 균열. 층의 면내 강도는 각 층의 플라스틱이 연속 압출물로 적층되어 부품 재료 자체의 강도 특성을 나타내기 때문에 층간 접착력보다 높습니다. Mark Two에서 강도(또는 이방성)의 방향성 차이는 CFF(Continuous Filament Fabrication) 공정에서도 발생합니다. 우리가 사용하는 모든 복합 섬유는 인상적인 인장 강도를 갖지만 섬유와 평행한 평면을 따라 배치되기 때문에 빌드 플레이트에서 강도는 수직 축으로 직접 변환되지 않습니다. 3D 인쇄된 부품을 위한 적절한 설계에는 대부분 수평면에 로드되도록 구성 요소의 지오메트리를 조정하는 것이 포함되며 Markforged 프린터로 생성된 부품도 예외는 아닙니다. 그러나 소매에 몇 가지 깔끔한 디자인 트릭을 사용하면 이 문제를 해결하고 훨씬 더 등방성 속성을 가진 Mark Two에서 산업용 강도의 3D 인쇄 부품을 만들 수 있습니다.

이전에 당사의 재료를 다루어 본 적이 있다면 나일론 자체가 실제로 매우 유연하다는 것을 눈치 챘을 것입니다. 이를 통해 조립이 필요 없이 조인트 또는 힌지를 형성할 수 있는 리빙 힌지 또는 구성요소의 유연한 섹션을 설계할 수 있습니다. 여기에서 리빙 힌지 및 굴곡 요소 설계에 대해 자세히 알아보세요.

Markforged 프린터의 섬유 강화재는 나일론을 상당히 강화할 수 있지만 Kevlar®를 사용하여 섬유 강화 리빙 힌지를 만들 수 있습니다. 접는 3D 인쇄 구조에서 나일론은 유연성을 제공하고 섬유는 접합 강도를 제공합니다. 약간의 섬유 강화 종이접기로 모든 방향에서 강한 최소한의 지지 재료로 골격 부품을 디자인할 수 있습니다. 다음은 예입니다.

이와 같은 부품은 그림과 같이 인쇄하는 데 엄청난 시간과 지지 재료가 소요되었을 것이고 수직 축을 따라 매우 약했을 것이므로 다음과 같이 인쇄하도록 설계했습니다.

Eiger의 섬유 레이아웃을 살펴보면 이 인쇄물에서 동심원 패턴의 케블라 층 하나만을 볼 수 있습니다. 탄소 섬유와 유리 섬유가 더 강하지만 Kevlar가 우리가 제공하는 재료 중 가장 유연하고 날카로운 각도로 구부러져도 인장 강도를 많이 유지하기 때문에 Kevlar를 사용하기로 결정했습니다. 탄소 섬유와 유리 섬유는 훨씬 더 단단하며 Kevlar가 문제 없이 처리할 수 있는 굽힘 반경에서 파손됩니다. Kevlar의 단일 레이어는 이 공이 수십 파운드를 견딜 수 있을 만큼 충분한 강도를 제공하지만 관절이 멋지게 접힐 수 있는 충분한 유연성을 제공합니다.

다면체를 디자인한 후, 나는 내 체중을 지탱할 수 있을 만큼 충분히 강한 접을 수 있는 무언가를 3D 인쇄할 수 있는지 알아보기 위해 말뚝을 올렸습니다. 단순하게 유지하기로 결정하고 Autodesk Fusion 360에서 접이식 Kevlar 큐브를 설계했습니다. 큐브의 면을 함께 고정하는 방법과 서로 직접 인접하지 않은 면을 연결하기 위한 조인트가 필요했습니다. 먼저 큐브의 네 면을 각각 별도의 구성 요소로 모델링하여 관절에 대해 원하는 접기 동작을 시뮬레이션하기 위해 CAD 환경에서 조작할 수 있었습니다. 각 면 사이의 연결을 확보하기 위해 각 면을 올바른 방향으로 접을 때 면이 제자리에 고정되고 스냅 핏이 큐브가 펼쳐지거나 변형되는 것을 방지하도록 스냅핏 조인트를 설계했습니다.

또한 가장 왼쪽 면이 가장 오른쪽 면과 만나면 연결될 가장자리에 작은 장부 구멍과 장부 조인트를 추가했습니다.

그런 다음 상자의 나머지 두 면으로 흥미로운 것을 시도하기로 결정했습니다. 각 열린 나머지 가장자리에서 각 면의 섹션을 디자인했습니다. 각 섹션에는 트위스트 핏 탭과 인접한 섹션의 해당 탭에 대한 컷아웃이 있습니다. 상자가 접히면 나머지 두 면을 형성하기 위해 모두 함께 스냅될 수 있습니다. 아래 이미지에서 조각 중 하나를 투명하게 만들어 제자리에 비틀어 넣을 재료의 유연성에 따라 더브테일 모양의 조인트를 만들기 위해 추가한 모따기를 보여주었습니다.

각 면의 형상이 석재로 설정되면 CAD에서 큐브를 "펼쳐" 모든 몸체가 내가 조각을 인쇄하려는 방향으로 평평하게 놓였습니다. 아래 이미지에서 각 구성 요소가 가장자리를 따라 만납니다. 아직 연결되지 않았습니다. 이 시점에서 리빙 힌지를 만드는 데 필요한 레이어를 추가하여 이를 하나의 통합 부품으로 결합해야 했습니다.

이를 위해 각 구성 요소의 바닥면 프로파일을 캡처하고 0.875mm만큼 돌출시키고 모든 개별 본체를 하나로 결합했습니다. 이것은 리빙 힌지에 두께를 제공합니다. 0.875mm 두께는 한 겹의 Kevlar가 내부에 들어가 섬유 강화 리빙 힌지를 만드는 데 충분한 재료를 추가합니다. 이제 별도의 구성 요소가 만나는 각 가장자리에 두께가 있다는 것을 아래에서 확인하십시오.

다음은 레이아웃되고 인쇄할 준비가 된 부품의 전체 보기입니다.

Eiger에서는 첫 번째 Kevlar 레이어에 동심원 섬유 링을 배치하여 조인트를 만들고 강화했습니다. 부품의 나머지 부분을 강화하기 위해 첫 번째 Kevlar 레이어 위의 각 면에서 시작하는 샌드위치 패널을 만들었습니다. 이전 게시물에서 설명했듯이 샌드위치 패널은 낮은 무게로 높은 강도를 제공하기 때문에 복합 재료의 기본입니다. 샌드위치 패널은 큐브의 각 면을 강화하여 강하고 단단한 3D 인쇄 구성 요소로 만듭니다. 각 면의 두께는 약 3mm에 불과합니다. 나는 또한 우리가 이전 게시물에서 논의한 작은 기능을 강화하기 위해 스냅 핏 조인트에 Kevlar를 맞출 수 있었습니다. 아래 GIF는 Kevlar 강화 리빙 힌지 레이어(레이어 5)와 샌드위치 패널의 하단 레이어(레이어 6-8)를 포함한 처음 몇 개의 레이어를 보여줍니다.

인쇄한 후 모든 것을 함께 스냅하고 측면 패널 접합부를 비틀고 케블라 보강재로 3D 인쇄된 접이식 큐브를 만들었습니다!

큐브의 각 면은 장력과 굴곡 ​​모두에서 상당한 보강을 제공하여 큐브 전체를 압축하기가 매우 어렵고 세 개의 주요 축을 따라 등척성으로 만듭니다. 나는 변형의 암시 없이 내 전체 체중(약 130파운드)을 그 위에 놓을 수 있었습니다. 제가 키가 작은 편이라 훨씬 더 엄격한 테스트를 해봤습니다. 나는 좋은 수치를 얻지 못했지만 실패하기 전에 약 300-400 파운드를 유지했을 것으로 추정합니다. 다음은 일어난 일입니다:

그래서 몇 백 파운드 후에 가장 놀라운 점은 부품이 실제로 부러진 것이 아니라 모든 조인트가 떨어져 나가고 전체 큐브가 평평해져서 약간만 펴면 원래 형태로 돌아갈 수 있다는 것입니다. 따라서 섬유 강화 리빙 힌지로 접을 수 있는 구조를 만들면 모든 방향에서 정말 강력한 3D 프린팅 부품을 만들 수 있습니다.

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