Anmerkung des Autors: Dies ist Teil 1 einer Serie über effiziente Verfahren zum Verlegen von Endlosfasern mithilfe des 3D-Druckers von Markforged. Wenn Sie mit dem Drucker nicht vertraut sind und mehr darüber erfahren möchten, https://www.3d-model.com//ueber-uns/kontakt/ Sobald Sie sich den Beitrag durchgelesen haben, können Sie Ihre Lektüre mit Teil 2 gerne hier fortsetzen!

ARTEN DER FASERFÜLLUNG

Unsere qualitativ hochwertigen 3D-Drucker bieten Ihnen zwei verschiedene Faserführstrategien zur Verstärkung von 3D-Druckteilen zur Auswahl: Isotrope Fasern oder konzentrische Fasern. Sie können diese beiden Optionen global auf der Seite „Teileansicht“ oder, Schicht für Schicht, auf der Seite „Interne Ansicht“ einstellen. Das einzigartige verstärkte 3D-Druckverfahren bietet dem Anwender eine Reihe von Verstärkungsmöglichkeiten: Jeder Fülltyp besitzt seine eigenen Stärken und Schwächen, die wir im Folgenden beschreiben. Falls Sie keinen Markforged-Drucker besitzen und einige der unten beschriebenen Tipps ausprobieren möchten, sollten Sie sich eine Testversion von Eiger holen, um sich mit den Verfahren selber vertraut machen zu können.

Zunächst einmal möchte ich auf einige Standardnamenskonventionen eingehen, damit sämtliche Beteiligten wissen, worum es geht. Ich werde mich häufig auf die Festigkeit in verschiedenen Achsen und Ebenen beziehen.

KONZENTRISCHE FÜLLVERSTÄRKUNG

Eine konzentrische Füllung verfolgt einfach eine bestimmte Anzahl von Schalen in den Außenkonturen Ihres Teils, was die Verstärkung durch Biegen um die Z-Achse unterstützt. Dadurch werden die Wände des Teils im Wesentlichen verstärkt, sodass eine Verformung der Wände verhindert wird.

Eine konzentrische Füllung dauert in der Regel länger, da die Bewegungen des Druckkopfes nicht mehr linear erfolgen und der Druckkopf daher die Geschwindigkeit reduzieren muss, um eine genaue Verfolgung der Werkzeuge innerhalb von Kurven zu gewährleisten. Bei diesem Fülltyp folgt der Druckkopf der äußeren Krümmung des Teils, während sich dieses nach innen dreht – je komplexer die Krümmung, desto länger dauert es. Bei der konzentrischen Füllung kann angegeben werden, mit wie vielen Faserringen Sie die Kontur Ihres Teils nachzeichnen möchten, sodass Sie eine gute Kontrolle darüber haben, wie viel Faser Sie pro Schicht verwenden.

ISOTROPE FÜLLVERSTÄRKUNG

Unsere 3D-Drucker mit Endlosfasern können auch innerhalb eines isotropen Faserfüllmusters drucken – dies simuliert die einzelnen unidirektionalen Schichten eines traditionellen laminierten Verbunds. Das Muster erzeugt effektiv ein unidirektionales Faserblatt auf jeder Schicht, auf die Sie es anwenden, indem sämtliche Fasern parallel zueinander in einer einzigen Winkelausrichtung geführt werden, mit 180-Grad-Drehungen, sobald der Druckpfad den Rand des Teils erreicht hat. Nachfolgende isotrope Faserschichten innerhalb einer Fasergruppe werden von Eiger automatisch in einem Winkel von 45 Grad zur Ausrichtung der Faser in der vorhergehenden Schicht gedreht – es sind allerdings durchaus auch individuelle Orientierungsmuster möglich, ein Verfahren, auf das in Teil 2 dieses Beitrags noch eingegangen wird. Das isotrope Faserfüllmuster hilft, dem Verbiegen in der XY-Ebene entgegenzuwirken, da alle in dieser Ebene aufgebrachten Biegekräfte eine Zugbelastung auf mindestens einen Teil der Fasern erzeugen, sodass diese äußerst stark unter Spannung stehen. Isotrope Fasern können auch zum Aufbau von Sandwich-Paneelen verwendet werden, um die Torsionsfestigkeit auf dieser Ebene, auf die später noch eingehen werde, zu erhöhen.

Sicherlich ist Ihnen aufgefallen, dass isotrope Fasern standardmäßig 2 konzentrische Faserringe um die Außenseite des Teils bilden. Dies gewährleistet eine glatte, verstärkte Außenfläche, da die äußersten Fasern immer durchgehend und parallel zur Kante des Teils verlaufen. Während die isotrope Faser hervorragend geeignet ist, um die gesamte Ebene jedes Teils zu verstärken, ist sie faser- und zeitaufwendig und es ist nicht immer notwendig, starke Teile herzustellen.

GRUNDLEGENDE VERFAHREN BEIM VERLEGEN VON ENDLOSFASERN

Mit diesen beiden Verfahren zum Verlegen von Endlosfasern innerhalb Ihrer Werkzeugleiste stehen Ihnen zahlreiche unterschiedliche Verstärkungsoptionen zur Verfügung, welche beide Optionen verwenden und kombinieren. Diese Verfahren können Ihnen dabei helfen, Geld, Material und Druckzeit zu sparen, indem sie es Ihnen ermöglichen, nur dann zu verstärken, wann und wo Sie es benötigen.

EINZELNE SANDWICHPLATTE

Eine Sandwichplatte ist eine gängige Verbundlegetechnik zur Verstärkung der Torsion um die Oberfläche, die die Verbundplatte erzeugt. Wie in diesem Blogbeitrag beschrieben, ist eine Sandwichplatte das Verbundäquivalent eines I-Profils, wobei ein steifes, starkes Material die Ober- und Unterseite eines Teils bildet – die Ober- und Unterseite werden der größten Biegespannung ausgesetzt, so dass sie oft am meisten verstärkt sind. Wenn Sie wissen, dass Ihr Teil in der XY-Ebene eine Torsion erfährt, verbessert eine Sandwichplatte die Torsionsfestigkeit des Teils.

Unsere Software stellt automatisch eine Sandwichplatte her, sobald die Option „Faser verwenden“ ausgewählt wird. Diese Funktion sollte allerdings nur dann aktiviert werden, wenn Ihr Bauteil symmetrisch ist, da die Fasern in den oberen und unteren Schichten Ihres Teils abgelegt werden. In der Abbildung unten ist zu beachten, dass die Oberseite des Bremshebels eigentlich eine kleine Extrusion ist, sodass die Faser manuell hinzugefügt werden muss. Es ist sinnvoller, die Faser unter die größte Oberfläche nahe der Oberseite des Teils zu platzieren. Im Allgemeinen ist es am besten, eine Sandwichplatte zu verwenden, die aus Schichten mit sehr ähnlichen Querschnittsflächen besteht.

Damit die Sandwichplatte gleichmäßig ist, achten Sie darauf, dass sich auf der Ober- und Unterseite, die Sie verstärken möchten, eine gleichmäßige Anzahl von isotropen Schichten befindet. Sandwichplatten müssen eben sein: Anderenfalls wird sich Ihr Bauteil nur in eine Richtung verbiegen lassen und nicht in die andere, es kann in einer Richtung leichter brechen oder sich verziehen. Je mehr Faserschichten Sie auf beiden Seiten haben und je weiter auseinander sich das Bauteil befindet, desto stärker ist das Bauteil. Isotrope Faserschichten in der Mitte Ihres Bauteils haben weniger Einfluss auf die Biegefestigkeit des Bauteils, sodass ein vollständiges Verpacken eines Bauteils mit Fasern zur Gewährleistung der Biegefestigkeit nicht erforderlich ist.

FASERUMFANG

Während die Sandwichverkleidung die Festigkeit um die XY-Ebene herum erhöht, wird die Erstellung eines Faserperimeters Ihr Bauteil um die Z-Achse herum verstärken. Durch die Verwendung der Option „Konzentrische Füllung“ auf jeder Ebene Ihres Bauteils können Sie die Biegefestigkeit um die Z-Achse erhöhen. Wie ich bereits erwähnt habe, verstärkt die Option „Konzentrische Füllung“ die Wände Ihres Teils, sodass die Herstellung eines Faserperimeters dazu führt, dass diese Wände sich viel schwieriger verbiegen. Aus diesem Grund werden viele Konstruktionsmaterialien in Form von C-Kanälen oder Rohren anstelle von Blöcken verwendet, um das Gewicht zu reduzieren und die Festigkeit zu erhalten.

Um einen Faserumfang für Ihr Bauteil festzulegen, verwenden Sie die Option „Konzentrische Füllung“ auf den Schichten, die Sie verstärken möchten. Durch Erhöhen der Anzahl der konzentrischen Ringe oder Erhöhen der Schichten, in denen konzentrische Ringe verwendet werden, können Sie die Festigkeit des Teils um die Z-Achse erhöhen. Der Bremshebel unten wird eine Biegebeanspruchung um die Z-Achse erfahren, deshalb habe ich jede Schicht mit 3 Ringen aus konzentrischer Faser verstärkt, um die Steifigkeit zu maximieren. Wie bei der Sandwichverkleidung trifft die Mitte des Teils auf die geringste Biegespannung, sodass das Bauteil nicht bis zur Mitte mit Ringen verstärkt werden muss.

GRANATIERUNG

Was ist, wenn Ihre Bauteile eine erhöhte Biegesteifigkeit auf jeder Achse aufweisen müssen, oder Sie nicht genau wissen, wie diese belastet werden sollen? Sie können die Bauteile durch Biegen auf jeder Achse verstärken, indem Sie diese beiden Verfahren kombinieren. Mit einer Sandwichplatte an der Ober- und Unterseite und dazwischen liegenden Faserschalen verbessert sich die Biegefestigkeit Ihres Bauteils auf jeder Achse. Diese Motorhalterung für eine hochbelastbare Robotikanwendung muss stark sein, kann aber Belastungen aus jeder Richtung erfahren, sodass solche Dinge von allen Seiten aus stark verstärkt werden müssen.

Ich strebe ein robustes Bauteil an, also habe ich 20 Schichten isotrope Faser-Sandwichverkleidung (10 pro Seite) ausgewählt. Wegen der Schraubenloch-Extrusionen auf der Oberseite des Bauteils muss ich jedoch die obere Faserplatte anpassen und unter die Oberseite des Teils legen.

Die Leiste am unteren Rand ermöglicht es Ihnen, verschiedene Abschnitte der Faser zu steuern und zeigt an, wie viel Faser jeder Schicht entspricht, normiert auf die größte Fasermenge. Im obigen Bild sehen Sie zwei Abschnitte der Faserverstärkung für eine einfache isotrope Sandwichplatte. Nun kann ich den mittleren Bereich zwischen den beiden “Platten“ auswählen, eine Gruppe erstellen und die Faserführung auf konzentrische Faserfüllung mit 2 konzentrischen Faserringen einstellen.

Dieses Teil wird nun durch die Verwendung von isotroper und konzentrischer Faserfüllung effizient beim Biegen verstärkt. Wenn Ihnen klar ist,  wie jede Art von Faserfüllungskonfiguration ein Bauteil verstärkt, können Sie einfache Tricks wie diese entwickeln, um die Bauteilleistung und die Druckzeit zu verbessern, ohne unnötige Fasern zu verschwenden. Schauen Sie sich Teil 2 dieses Beitrags an, in dem fortgeschrittenere Techniken zur Optimierung der Bauteilfestigkeit mit Faserorientierung behandelt werden!

Möchten Sie mehr erfahren? Fordern Sie einen Eiger-Test an, um mit unseren Software- und Faserverstärkungsoptionen Ihre eigenen Experimente durchzuführen. Werfen Sie zudem einen Blick auf Teil 2 dieses Beitrags, der sich mit noch fortgeschritteneren Verfahren zum Verlegen von Endlosfasern beschäftigt!

Artikel geschrieben von Alex Crease, Markforged

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