効率的なファイバールーティングによる3Dプリント部品の補強：パート1

編集者注：これは、Markforged3Dプリンターを使用した効率的なファイバールーティング技術に関するシリーズのパート1です。プリンタに不慣れで、詳細を知りたい場合は、こちらからお問い合わせください。この投稿が終わったら、ここでパート2を進んでください。

ファイバーフィルの種類

当社の高強度3Dプリンターは、3D印刷部品を補強するために、等方性繊維または同心繊維という2つの異なる繊維充填戦略を提供します。これらの2つのオプションは、[パーツビュー]ページでグローバルに適用することも、[内部ビュー]ページでレイヤーごとに適用することもできます。独自の強化3D印刷プロセスにより、ユーザーはさまざまな強化戦術から選択できます。各塗りつぶしタイプには、以下で説明する独自の長所と短所があります。 Markforgedプリンターをお持ちでなく、以下にリストされているヒントのいくつかを試してみたい場合は、Eigerトライアルを取得して、これらの戦術を自分で試してください。

まず、全員が同じページにいるようにするためのいくつかの標準的な命名規則。さまざまな軸と平面の強度について頻繁に言及するので、このキーをガイドとして使用してください：

同心フィル補強

同心円塗りつぶしは、パーツの外側の輪郭内の特定の数のシェルをトレースするだけで、Z軸を中心に曲がるのを防ぐのに役立ちます。そうすることで、本質的に成形品の壁を補強し、壁が変形するのを防ぎます。

同心円状の塗りつぶしは、プリントヘッドの動きが直線的ではなくなるため、時間がかかる傾向があります。したがって、カーブの周りの正確なツールパストラッキングを維持するには、プリントヘッドの速度を下げる必要があります。この塗りつぶしタイプでは、プリントヘッドは、パーツが内側にらせん状になるときにパーツの外側の曲率に追従するため、曲率が複雑になるほど、時間がかかります。同心円塗りつぶしを使用する場合、パーツの輪郭をトレースするファイバーのリングの数を指定できるため、レイヤーごとに使用するファイバーの量を適切に制御できます。

等方性盛土補強

当社の連続繊維3Dプリンターは、等方性繊維充填パターンで印刷することもできます。これは、従来の積層複合材の個々の一方向層をシミュレートします。このパターンは、パスがパーツのエッジに到達したときに180度回転する単一の角度方向ですべてのファイバーを互いに平行にルーティングすることにより、適用する各レイヤーにファイバーの一方向の「シート」を効果的に作成します。ファイバーグループ内の後続の等方性ファイバーレイヤーは、前のレイヤーのファイバーの方向に対して45度の角度でEigerによって自動的に回転しますが、カスタムの方向パターンは確かに可能です。これについては、この投稿のパート2で説明します。等方性繊維充填パターンは、XY平面での曲げに抵抗するのに役立ちます。これは、XY平面に曲げ力が加えられると、張力が最も強い繊維の少なくとも一部に引張荷重が発生するためです。等方性ファイバーを使用してサンドイッチパネルを設定し、その平面のねじり強度を高めることもできます。これについては後で説明します。

お気づきかもしれませんが、等方性ファイバーは、デフォルトで、パーツの外側に2つの同心のファイバーリングを配置します。これにより、最も外側の繊維が常に連続しており、部品のエッジに平行であるため、滑らかに補強された外面が確保されます。等方性繊維は各部品の平面全体を補強するのに最適ですが、繊維と時間がかかり、強力な部品を作成する必要は必ずしもありません。

基本的なファイバールーティング技術

ツールボックスにこれらの2つのファイバールーティングオプションがあるため、両方のオプションを利用および組み合わせたさまざまな補強オプションがあります。これらの手法は、必要なときに必要な場所でのみ補強できるようにすることで、費用、材料、印刷時間を節約するのに役立ちます。

シングルサンドイッチパネル

サンドイッチパネルは、複合シートが作成する表面の周りのねじれを補強するための一般的な複合レイアップ技術です。このブログ投稿で説明されているように、サンドイッチパネルは、Iビームと同等の複合材料であり、部品の上部と下部を構成する剛性のある強力な材料を備えています。上部と下部の平面は最も曲げ応力を受けるため、多くの場合、最も強化されています。パーツがXY平面でねじれに遭遇することがわかっている場合は、サンドイッチパネルによってパーツのねじれ強度が向上します。

「ファイバーを使用」を選択すると、当社のソフトウェアはサンドイッチパネルを自動的に生成します。ただし、これは、パーツが対称である場合にのみ実装する必要があります。これは、パーツの上下の数層にファイバーが配置されるためです。下の画像では、ブレーキレバーの上部が実際には小さな押し出しであることに注意してください。したがって、ファイバーを手動で追加する必要があり、パーツの上部近くの最大の表面の下にファイバーを配置する方が理にかなっています。一般に、断面積が非常に似ている層で構成されるサンドイッチパネルを使用するのが最適です。

サンドイッチを均一にするために、補強したい上面と下面に同じ数の等方性層があることを確認してください。サンドイッチパネルは均一である必要があります。そうでない場合、部品は一方向に曲がり、別の方向には曲がりにくくなり、一方向に壊れたり反ったりしやすくなります。どちらかの側にある繊維の層が多く、サンドイッチが離れているほど、パーツは強くなります。パーツの中央にある等方性繊維層は、パーツの曲げ強度への影響が少ないため、曲げ強度を提供するためにパーツをファイバーで完全に充填する必要はありません。

ファイバー境界

サンドイッチパネルはXY平面の周りの強度を高めますが、ファイバーの周囲を作成すると、Z軸の周りのパーツがより強くなります。パーツのすべてのレイヤーで[同心円の塗りつぶし]オプションを使用すると、Z軸を中心に曲げる強度を高めることができます。先に述べたように、同心円状の塗りつぶしはパーツの壁を補強するため、パーツ内に繊維の周囲を作成すると、それらの壁が曲がりにくくなります。これが、多くのエンジニアリング材料がブロックではなくCチャネルまたはチューブの形をとる理由です。重量を減らしながら強度を維持するためです。

パーツにファイバー境界を設定するには、補強するレイヤーに同心円の塗りつぶしを使用します。同心リングの数を増やすか、同心リングを使用するレイヤーを増やすことで、Z軸周りのパーツの強度を上げることができます。下のブレーキレバーはZ軸周りの曲げ応力を受けるので、剛性を最大化するために同心繊維の3つのリングですべての層を補強しました。サンドイッチパネルの場合と同様に、パーツの中央で曲げ応力が最小になるため、パーツを中央までリングで補強する必要はありません。

砲撃

パーツの各軸の曲げ剛性を上げる必要がある場合、またはパーツがどのようにロードされるかがよくわからない場合はどうなりますか？これらの2つの手法を組み合わせることで、すべての軸でパーツが曲がらないように補強できます。上部と下部にサンドイッチパネルがあり、その間に繊維のシェルがあるため、パーツの曲げ強度がすべての軸で向上します。頑丈なロボット工学アプリケーション用のこのモーターブラケットは強力である必要がありますが、どの方向からの負荷も受ける可能性があるため、このようなものはすべての側面から大幅に強化する必要があります。

これを非常に頑丈な部品にしたいので、等方性ファイバーサンドイッチパネルを20層（片面10層）選択しました。ただし、パーツの上部にボルト穴が押し出されているため、上部のファイバーの「パネル」を調整して、パーツの上面の下に配置する必要があります。

下部のバーを使用すると、ファイバーのさまざまなセクションを制御でき、各レイヤーのファイバーの量が最大量のファイバーに正規化されて表示されます。上の画像では、単純な等方性サンドイッチパネルの繊維補強の2つのセクションを見ることができます。これで、2つの「パネル」の間の中央領域を選択し、グループを作成して、ファイバールーティングを2つの同心ファイバーリングを備えた同心ファイバーフィルに設定できます。

この部品は、等方性繊維充填と同心繊維充填の両方を使用することにより、曲げが効率的に強化されています。各タイプのファイバーフィル構成がパーツをどのように強化するかを理解することで、このような簡単なトリックを開発して、不要なファイバーを無駄にすることなくパーツのパフォーマンスと印刷時間を改善できます。この投稿のパート2に注目してください。ここでは、繊維配向でパーツ強度を最適化するためのより高度な手法について説明します。

詳細に興味がありますか？ Eigerトライアルをリクエストして、ソフトウェアと繊維強化オプションを試してみてください。この投稿のパート2もチェックしてください。より高度なファイバールーティング技術が使用されています！