탄소 섬유 3D 인쇄를 사용한 가장 강력한 부품 – 등방성 충전 부품 1

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작가 메모:이것은 Eiger의 등방성 섬유 채우기 패턴을 사용하여 Mark Two로 매우 강력한 부품을 만드는 방법에 대한 2부 게시물 중 첫 번째입니다. 이 포스트에서는 Markforged 프린터를 사용하여 기존 복합 재료의 고강도 레이업 패턴을 근사화하는 방법을 검토할 것입니다. 후속 게시물에서 우리는 강화된 부품의 최대 강도를 위해 이러한 전략을 사용하는 방법을 다룰 것입니다. 이 게시물에서는 블로그에서 일반적으로 수행하는 것보다 조금 더 기술적인 내용을 다루겠지만 용어를 천천히 살펴보고(짧은 복합 용어 용어집을 포함함) 복합 강화 고강도 3D 프린팅을 위해 효과적으로 설계하는 방법에 대한 보다 심층적인 이해

합성 배경

Markforged의 연속 가닥 복합 3D 프린터를 사용하면 고도로 자동화된 3D 프린팅 시스템에서 준등방성 복합 라미네이트와 유사한 특성을 생성하기 위해 복합 섬유로 강화된 산업용 3D 프린팅 부품을 만들 수 있습니다. 준등방성 3D 프린팅 부품은 서로 다른 축을 따라 다양한 재료 특성을 가지고 있으며 당사의 Eiger 슬라이싱 소프트웨어에서 섬유 방향을 변경하여 부품이 노출될 수 있는 특정 하중 적용 분야에 저항할 수 있는 강력한 부품을 설계할 수 있습니다.

고강도 등방성 재료* 속성은 엔지니어링 부품 설계를 쉽게 만듭니다. 재료가 모든 방향에서 동일한 속성을 갖는다면 의도한 응용 분야에 충분히 강한 부품을 만드는 것은 지오메트리 문제에 불과합니다. 재료 속성이 다음 (3D 프린팅의 경우와 같이) 서로 다른 축에서 차이가 나는 경우, 준등방성* 재료가 차선책입니다. 한 축을 따라 강도 차이를 고려해야 하고 훨씬 적은 시간과 비용이 필요하기 때문입니다. 완전 이방성* 재료보다 부품 강도를 최적화하기 위한 설계 작업. 재료 특성의 변화에 ​​대한 더 자세한 설명은 아래의 복합 재료 특성 방향에 대한 일반적인 용어를 참조하십시오. 편의를 위해 그리고 모든 3D 프린팅 부품이 Z 방향(프린트베드 평면에 수직인 축)에서 다른 재료 속성을 가질 것이라는 이해와 함께 Markforged는 '등방성'을 설명할 때 준등방성에서 '준-'을 삭제했습니다. 섬유' 충전 유형.

복합 용어 용어집

• 등방성 재료 — 재료 또는 관찰 방향에 관계없이 모든 방향에서 균일한 재료 특성을 갖습니다. 대부분(전부는 아님) 금속은 매우 등방성인 경향이 있습니다.
• 이방성 — 방향 종속 속성을 갖는 전체 상태. 등방성으로 특성화된 재료는 등방성 속성을 나타내지 않지만 그러한 일반적인 분류는 재료가 방향에 따라 어떻게 또는 어떤 축을 따라 의존하는지에 대한 정보를 제공하지 않습니다. 이전에 시연한 리빙 힌지 부분은 굴곡 요소와 더 단단한 케블라 강화 영역을 포함하고 있기 때문에 좋은 예입니다.
• 이방성 재료 — 나무와 같은 세 개의 상호 직교(서로 90도 각도) 축을 따라 다른 속성을 보여줍니다. 나무는 결선을 따라 쉽게 쪼개지는 경향이 있지만 다른 방향으로 자르거나 쪼개기 어렵기 때문에 좋은 예가 됩니다.
• 준등방성 재료 — 종종 두 축에서 근사하거나 등방성 재료이지만 세 번째 방향에서는 속성이 다릅니다. 이것은 아래에 설명된 'Fiber Angles' 속성에 사용된 값과 관계없이 주로 'Isotropic Fiber' 보강 패턴을 포함하는 Markforged 3D 인쇄 부품에 대한 정확한 일반 설명입니다.
• 횡방향 등방성 재료 — 준 등방성 재료의 하위 집합이며, 특히 부품의 횡단면에서 등방성이 발생하는 재료를 나타냅니다(3D 인쇄 부품의 각 레이어(XY 평면)에서 균일한 속성을 생각하십시오). 단일 축(3D 인쇄 부품의 Z축). Markforged 3D 프린터를 사용하면 아래에 설명된 등방성 섬유 채우기 패턴과 기본 'Fiber Angles' 값을 사용하는 동안 매우 근접하게 됩니다.

전통적인 열경화성 복합 재료(탄소 섬유의 대부분의 소비자 사용은 이러한 유형의 복합 재료를 사용함)는 여러 방향의 패턴으로 배향된 단방향 복합 재료(종종 직물 또는 단방향 테이프 형태)의 적층된 층으로 수십 개에서 수천 개까지 만들어집니다. 복합 디자이너는 이러한 반복 패턴을 설명하는 단순화된 방법을 제공하기 위해 '방향 코드' 형태의 명명 구조를 사용합니다. 각각의 연속적인 층은 일반적으로 아래 층에 대해 약간의 각도(종종 45도)만큼 회전되며, 각 층의 직포를 구성하는 복합 섬유는 인장 방향이 가장 강하기 때문에 각 층의 천을 회전시키면 천이 각 레이어에 같은 방향으로 겹쳐진 경우보다 훨씬 더 높은 다방향 벌크 강도와 강성이 있습니다.

합성 방향 코드에 대한 훌륭한 입문서는 미 해군 사관학교의 이 프레젠테이션에서 찾을 수 있습니다. 전통적인 방향 코드는 특정 합성 레이업 전략에 사용되는 다양한 각도를 나타내기 위해 대괄호로 묶고 슬래시로 구분된 일련의 각도로 설명됩니다. 예를 들어, Eiger의 기본 등방성 섬유 채우기 패턴은 [0/45/90/135]의 방향 코드를 사용합니다. 이는 섬유 강화의 첫 번째 레이어가 수평에서 0도 각도로 단방향 패턴으로 인쇄됨을 의미합니다. 두 번째 섬유 레이어는 수평에서 45도 회전하고 이 시퀀스는 코드가 완료될 때까지 계속되며 이 지점에서 패턴은 수평에서 다시 시작됩니다. Eiger는 또한 고객에게 반복 길이에 관계없이 완전히 맞춤형 방향 코드를 자체적으로 개발할 수 있는 기능을 제공합니다. 주목해야 할 점은 각 개별 층이 개별 복합 섬유의 길이 방향으로 훨씬 더 높은 강도와 ​​함께 높은 정도의 이방성을 포함하는 반면 회전 방향을 가진 복합 재료의 여러 층을 추가하면 여러 방향으로 강도가 빠르게 추가된다는 것입니다. 벌크 엔티티로서 등방성인 부분에서.

향상된 기능

Mark Two 3D 프린터는 Mark One보다 15배 더 작은 형상으로 고강도 섬유 강화 부품을 강력하게 생산하도록 설계되었지만 업그레이드된 소프트웨어 알고리즘은 또한 ' 등방성 섬유' 채우기 유형입니다.

Eiger의 외부 'Part View' 광섬유 구성 패널에서 위 이미지에서 'Fiber Angles'에 대한 입력 상자가 있음을 알 수 있습니다. 이것은 위에서 언급한 방향 코드를 나타내며 Eiger에서 섬유 강화 부품의 높은 수준의 벌크 재료 속성을 빠르게 제어하는 ​​한 가지 방법입니다. Eiger가 사용하는 기본 [0/45/90/135] 코드는 등방성 섬유 채우기로 부품의 모든 레이어를 보강하는 경우 가로 등방성 부품을 생성합니다(위의 용어 상자 참조). Eiger에서 방향 코드를 입력하려면 위의 이미지와 같이 쉼표로 구분하여 'Fiber Angle' 상자에 패턴에서 원하는 다양한 섬유 방향의 각도를 입력하기만 하면 됩니다.

개선된 섬유 라우팅 알고리즘을 통해 Mark Two는 Markforged 탄소 섬유 필라멘트와 새로운 HSHT(고강도, 고온) 유리 섬유 필라멘트를 사용하여 등방성 섬유 채우기를 인쇄할 수 있습니다. 이 옵션은 기술 제한으로 인해 Mark One에서 사용할 수 없었습니다. 알고리즘 자체는 Mark One 대응물에서 업데이트되었습니다. Eiger의 2D 내부 보기를 사용하여 Mark Two에 대해 슬라이스된 등방성 섬유 채우기가 있는 레이어를 보면 새 알고리즘이 동심 링이 있는 하이브리드 채우기 유형을 활성화한다는 것을 알 수 있습니다. 부품의 외부 및 부품의 내부 영역을 채우는 지정된 방향 각도의 등방성 채우기. 이렇게 하면 내부적으로 높은 전체 강도와 강성을 유지하면서 외부 표면 마감이 개선된 부품이 생성됩니다. 이 전략을 사용하면 탄소 섬유 3D 프린팅을 통해 절대강자 부품을 얻을 수 있습니다.

강력한 부분을 위한 세밀한 제어

외부 보기 섬유 매개변수는 빠른 보강에 적합하지만 부품의 강도를 더 많이 제어해야 하는 경우 Eiger에서 부품의 3D 내부 보기에서 특정 레이어 그룹의 방향 코드를 편집할 수도 있습니다. 시작하려면 Eiger 라이브러리에서 부품을 선택하고 기본적으로 3D 보기로 이동하는 내부 보기로 들어갑니다.

내부 3D 보기에 들어가면 레이어 막대에서 기존 섬유 레이어 그룹을 클릭하여 선택합니다.

새 그룹을 만들려면 원하는 그룹의 시작 또는 끝 지점에 있는 레이어 막대를 클릭하고 마우스 버튼을 누른 상태에서 그룹에서 원하는 레이어를 드래그합니다. 그런 다음 오른쪽 상단 레이어 컨트롤 상자에서 '변경 사항 적용'을 클릭하여 새 그룹을 생성합니다.

그룹에 대해 선택한 레이어가 마음에 들지 않으면 삼각형 레이어 그룹 구분 기호를 드래그하여 레이어 크기를 조정할 수 있습니다. 등방성 섬유 채우기를 사용하도록 구성된 정의된 레이어 그룹을 선택하면 외부 부품 보기에 표시되는 'Fiber Angles' 필드가 오른쪽 상단의 레이어 제어 상자에도 표시됩니다. 이 매개변수를 사용하면 전체 부품의 모든 섬유에 걸쳐 방향 코드를 전역적으로 적용하는 대신 3D 내부 보기 편집기의 섬유 각도 필드가 선택한 레이어 그룹에 대해서만 방향 코드를 수정할 수 있습니다. 이를 통해 부품의 특정 형상에 맞게 고강도 섬유 배치를 조정할 수 있습니다.

이것으로 충분합니다. Eiger는 부품에서 섬유 보강재의 여러 층을 매우 간단하게 빠르게 구성할 수 있도록 합니다!

여기에서 이 게시물의 2부를 읽으십시오. where 최적화를 위한 최고의 전략을 안내해 드리겠습니다. 가장 효과적인 섬유 사용을 위해 부품 강도를 최대화하려면 섬유 보강재를 넣어야 합니다!

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