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고강도 3D 인쇄 – 등방성 채우기 파트 2

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작성자 주:이것은 Mark Two에 탄소 섬유를 사용하여 Eiger의 등방성 섬유 충전 유형으로 가능한 가장 강력한 부품을 설계하는 두 부분 시리즈의 두 번째 게시물입니다. 이전 게시물에서는 특정 등방성 패턴으로 보강재를 인쇄하는 이유에 대해 자세히 설명했습니다. 이 게시물에서는 탄소 섬유 3D 인쇄 기술을 가장 효율적으로 사용하여 가장 강력한 부품을 생산하기 위해 해당 채우기 유형을 가장 잘 적용하는 방법을 다룰 것입니다.

우리는 이전에 복합 보강재의 기본 사항과 Eiger에서 다양한 섬유 방향을 적용하는 방법을 다루었습니다. 이제 강화 효율성에 대해 논의할 때입니다. 불필요한 무게나 비용 없이 가장 강력한 부품을 3D 프린팅하는 것입니다. Eiger의 등방성 섬유 충전재로 레이어를 강화하면 해당 레이어에 강도와 강성이 추가되지만 실제로 그 강도가 필요합니까? 고강도 3D 프린팅에서 보강재의 효율적인 사용을 위해 설계할 때 전체 부품에 가해지는 하중과 관련하여 레이어의 위치가 아마도 가장 중요한 고려 사항일 수 있음을 보여드리겠습니다.

실제로 강화하기 전에 외부 형상에 힘이나 하중이 가해질 때 물리적 부품이 어떻게 반응하는지 이해하는 것이 중요합니다. 예를 들어 간단하게 지지되는 빔을 살펴보겠습니다. 한 쪽 끝은 x를 따라 자유롭게 변환되고 양쪽 끝이 아래에서 지지되는 빔입니다. 아래 이미지와 같이 축.

힘을 F 적용할 때 빔에 대해 빔은 F의 크기와 빔의 형상 및 재료 속성에 따라 달라지는 양만큼 아래쪽으로 구부러지거나 편향되기 시작합니다. F 힘에 의해 생성된 내부 응력을 살펴보면 굽힘을 겪을 때 빔의 대표적인 측면 프로필 섹션에서 아래쪽을 가리키는 하중에 가장 가까운 빔의 측면은 압축을 경험하고 가장 멀리 있는 빔의 측면은 동일한 힘을 받지만 인장을 받는 것을 알 수 있습니다.

위의 다이어그램은 내부 굽힘 응력 σ을 자세히 설명합니다. 더 긴 화살표는 더 큰 굽힘 응력을 나타냅니다. 가장 높은 굽힘 응력이 굽힘 중에 빔의 상단 및 하단 표면에서 발생하고 중립 축이라고 하는 빔의 중심선이 0의 힘을 받는 것이 즉시 분명합니다. 중립축 양쪽에 있는 화살표의 반대 방향은 빔 영역이 받는 힘의 방향(압축 또는 장력)을 나타냅니다. 전반적으로 이는 굽힘이 발생하는 부품에 고강도 재료를 사용하도록 최적화하는 경우 가장 큰 힘이 발생하는 위치, 즉 빔 표면 근처에 해당 재료를 배치하는 것을 우선시해야 함을 의미합니다. 이 단순한 사실이 I-빔 및 샌드위치 패널 구조의 디자인 뒤에 있는 이유입니다.

I형강과 샌드위치패널(조립식판넬) 모두의 개발은 최소한의 무게로 고강도, 고강성 플레이트 또는 빔을 생산하려는 욕구에서 비롯되었습니다. 우리가 보았듯이 가장 높은 굽힘력은 빔의 외부 표면에서 발생하므로 이러한 표면에 고강도 재료를 추가하면 굽힘력에 저항하는 데 가장 효과적입니다. 그러나 빔의 중심 근처에서 고강도 재료는 훨씬 낮은 힘에 노출되기 때문에 전체 빔 강도에 거의 기여하지 않습니다. 이러한 재료는 여전히 동일한 양의 무게를 추가하지만 중립 축 근처 영역의 전체 무게당 강도 효율성은 크게 감소합니다. I-빔 형상은 고강도 대 중량 단일 재료 금속 빔을 제공하기 위해 개발되었습니다. 고급 재료의 출현은 I-빔 웹(I-빔의 수직 부분)이 일반적으로 흡수하는 힘을 훨씬 더 넓은 영역에 분산시킬 뿐만 아니라 훨씬 가벼움을 허용하는 다중 재료 샌드위치 패널 구조의 개발을 가능하게 했습니다. 관련된 힘이 단일 웹에 집중될 필요가 없기 때문에 핵심 재료를 사용해야 합니다.

샌드위치 패널의 중첩

그 모든 이론을 배제하고 아이거의 강화 부품에 대해 알아보겠습니다. 기본적으로 Eiger는 Eiger 라이브러리에서 부품을 열 때 처음 만나는 외부 '부품 보기' 페이지에서 섬유를 추가할 때 샌드위치 패널을 생성하려고 시도합니다.

부품에 추가하기 위해 선택한 'Fiber Layers' 값의 절반은 자동으로 솔리드 플라스틱 바닥 레이어로 구성된 처음 4개(기본적으로) 레이어 위 부품의 맨 아래 레이어에 추가되고 나머지 절반은 파이버 레이어는 부품 상단, 솔리드 플라스틱 레이어로 구성된 상단 4개(기본값) 레이어 아래에 추가됩니다. 이 알고리즘은 Olin College 팀이 인쇄한 Snotbot 무인 항공기의 착륙 장치와 같이 강화하려는 부품이 프린트 베드와 평행한 평면에 대해 대칭인 경우에 효과적입니다.

위 사진에서 볼 수 있듯이 알고리즘은 부품의 상단과 하단에 10개의 케블라 보강재 레이어를 추가했습니다. 부품이 XY 평면에 대해 대칭이기 때문에 기본 섬유 레이어 알고리즘은 원하는 동작인 샌드위치 패널 보강을 초래했습니다.

그러나 부품이 위에 설명된 대칭 조건을 충족하지 않으면 어떻게 됩니까? 이 경우 기본 알고리즘은 우리가 무역 박람회에서 강도 증명으로 자주 사용하는 오토바이 브레이크 레버 부품의 경우와 같이 원하는 보강을 제공하지 않습니다.

아래 스크린샷에서 볼 수 있듯이 기본 섬유 알고리즘은 부품의 바닥에 섬유를 추가하지만 청동이 있는 작은 융기 부분이 있기 때문에 샌드위치 패널을 완성하기 위해 부품의 상단에 필요한 섬유를 추가하지 않습니다. 부싱을 누르면 부품이 비대칭이 됩니다. 우리는 실제로 가능한 한 가장 큰 샌드위치 패널을 생산하기 위해 부품의 바닥보다 부품의 상단 레이어에서 멀리 떨어진 섬유를 원합니다.

이것은 Markforged 프린터에서 가장 강한 부품을 강화하기 위한 첫 번째 일반 지침으로 이어집니다. 가장 거리가 먼 레이어에 하나 또는 두 개의 동심 링이 있는 등방성 섬유 충전을 사용하여 부품에서 가장 먼저 할 수 있는 가장 큰 샌드위치 패널을 만드십시오. 그들.

위의 오토바이 브레이크 레버의 경우 다음 이미지와 같이 레버 바디 상단에서 섬유가 흐르도록 상단 레이어 그룹을 아래로 이동해야 함을 의미합니다.

UW-Madison Human Powered Vehicles Team의 2016년 설계에서 가져온 이 크랭크 암에서와 같이 샌드위치 패널 건설을 위해 익은 여러 잠재적으로 겹치는 영역이 있으면 어떻게 됩니까?

샌드위치 패널이 될 수 있는 여러 영역이 분명히 있습니다. 암 자체의 상단과 하단(구조의 더 긴 부분)과 복합 보강재의 이점을 얻을 수 있는 4개의 뾰족한 플랜지의 상단 및 하단 섹션이 있습니다. . 볼트는 4개의 모든 구멍을 통과하므로 섬유를 추가하면 볼트에서 생성되는 응력 원뿔에 더 잘 저항할 수 있습니다. 섬유를 추가할 최적의 위치를 ​​찾기 위해 철저한(그리고 긴) 로딩 시뮬레이션을 실행할 수 있지만 샌드위치 패널 제작을 시작하는 것이 가장 쉽고(아마도 가장 효율적일 것입니다). 먼저 기본 섬유 알고리즘이 부품의 상단과 하단에 등방성 섬유 채우기 레이어 4개를 추가하도록 합니다.

이 두 층은 단면적이 매우 다르기 때문에 완전히 이상적이지는 않지만(지오메트리가 허용하는 경우 단면적이 거의 동일한 샌드위치 패널 '표피' 레이어를 사용하는 것이 가장 좋습니다), 가능한 가장 큰 샌드위치 패널을 강화합니다. 부품은 이 크랭크 암이 자전거 타는 사람 다리의 큰 굽힘 하중을 더 잘 견딜 수 있음을 의미합니다.

또한 이 크랭크 암을 실제 크랭크에 연결하는 4개의 구멍으로 플랜지를 보강해야 합니다. 플랜지만 집중해서 첫 번째 단계에서 전체 부품을 보강할 때 이미 바닥을 보강했습니다. 플랜지가 끝나는 부품에 약 25층의 레이어 그룹을 보강하면 됩니다. 그러나 거기에 레이어 그룹을 추가하면 세 개의 개별 섬유 레이어가 있습니다. 우리는 양쪽에 하나씩 두 개의 합성 스킨이 있는 샌드위치 패널에 대해서만 이야기했습니다. 샌드위치 패널 중 하나를 망쳤습니까?

이것은 우리의 두 번째 지침으로 이어집니다. '샌드위치 패널'의 개념은 단순히 덧셈이 아니라 하나의 샌드위치 패널을 더 크거나 작은 패널 위에 겹쳐서 이전 샌드위치의 합성 '스킨' 레이어를 재사용할 수 있습니다.

따라서 크랭크 암 플랜지를 강화하는 더 얇은 샌드위치 패널과 전체 부품을 강화하는 더 두꺼운 샌드위치 패널이 있는 위 이미지의 구성이 생성됩니다. 두 샌드위치 패널 실시예 모두 부품 하단의 탄소 보강층 그룹을 하부 스킨 층으로 사용합니다.

이 시점에서 부품은 이미 매우 강력하지만 자전거 크랭크 암은 복잡한 비틀림 하중 패턴을 받기 때문에 섬유 층을 하나 더 추가할 것입니다. 이는 전단 응력이 적용된 특정 비틀림 하중으로 인해 발생할 수 있기 때문입니다. 굽힘응력과 달리 전단응력은 부품의 중립축이나 미드플레인에서 최대 크기를 가지며 크랭크암이 이러한 하중조건에 노출될지 예측하기 어렵기 때문에 미드플레인 주위에 합성층 그룹을 하나 더 추가하는 것이 가장 쉽습니다. 크랭크 암의.

그 결과 위 이미지에서 볼 수 있는 최종 구성이 생성됩니다. 4개의 개별 섬유 그룹이 일련의 샌드위치 패널을 생성합니다. 이것은 전체 경량 부품을 유지하면서 우리가 생산할 수 있는 가장 강력한 구성 중 하나입니다.

요약하자면, 섬유 강화를 사용한 고강도 3D 프린팅에 대한 세 가지 지침은 다음과 같습니다.

1. 등방성 섬유 충전재를 사용하여 가장 크고 가장 두꺼운 샌드위치 패널을 먼저 만듭니다.

2. 부품을 완전히 강화하기 위해 샌드위치 패널을 추가하고 중첩할 수 있습니다.

3. 미드플레인에 등방성 섬유층 그룹을 추가하면 특정 비틀림 하중 패턴에 더 잘 저항할 수 있습니다.

이 가이드라인은 절대 안전하지 않으며 항상 예외가 있지만 가장 강력한 부품을 설계할 때 시작하기에 좋은 곳입니다.

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