Mark Twoで等方性ファイバー3Dプリントをマスター：超高強度パーツを製作

更新: 異なる充填パターンがパーツ強度をどう高めるか、その科学を知りたい方は、6月21日午前11時(EDT)のウェビナーにご参加ください(こちらから登録)。

著者注: これは、Eigerの等方性ファイバー充填パターンを活用してMark Twoで非常に強いパーツを作る方法についての2部構成の第1弾です。今回は、Markforgedプリンターで従来の複合材料の高強度積層パターンをエミュレートする方法を探ります。第2弾では、補強パーツの強度を最大化することに焦点を当てます。簡潔な複合材料用語集を使いながら、技術的な詳細を段階的に解説し、複合材料補強・高強度3Dプリントのための効果的な設計を支援します。

複合材料の基礎知識

Markforgedの連続ストランド複合材料プリンターにより、お客様はカーボンファイバーで補強された工業グレードのパーツを製作でき、準等方性複合積層板に匹敵する特性を得られます。準等方性3Dプリントパーツは2軸方向で一貫した挙動を示し、1方向のみに変異があるため、特定の荷重条件に耐えるパーツ設計に最適です。Eigerスライサーソフトウェアでファイバー方向を調整することで、設計者は目標用途に合わせて強度を調整できます。

高強度等方性材料はエンジニアリング設計をシンプルにします。材料が全方向で同一に振る舞えば、形状だけで強度要件を満たせるかどうかが決まるからです。3Dプリントのように軸ごとに特性が異なる場合、準等方性材料が次善の策となります。完全な異方性材料と比べて設計作業が最小限で済み、強度が異なるのは1軸だけだからです。わかりやすくするため、Markforgedは「等方性ファイバー」充填タイプを単に「等方性ファイバー」と表記しています。すべての3Dプリントパーツは本質的にZ軸方向で異なる特性を持つことを認識した上での表記です。

複合材料用語集

• 等方性材料 — あらゆる方向で均一な特性を示す。多くの金属がこのカテゴリーに属する。
• 異方性 — 全体的に方向依存の挙動を示す。リビングヒンジの例は、柔軟な部分とケブラー補強された剛性部分を持つ複合材料を示している。
• 直交異方性材料 — 3つの直交軸に沿って特性が異なる。木材など。
• 準等方性材料 — 2軸で等方的だが、第3軸で変異する。等方性ファイバーで補強されたMarkforgedパーツの挙動と一致する。
• 横等方性材料 — XY平面で等方的だが、Z軸で異なる挙動を示す。等方性ファイバー充填パターンとデフォルトのファイバー角度を組み合わせると、この挙動に近づく。

従来の熱硬化性複合材料(一般的なカーボンファイバー用途の多く)は、数十から数千の単方向層を交互の角度で配置して使用します。複合材料設計者は、これらの繰り返しパターンを「方向コード」で記述します。各層を順次回転させ(多くの場合45°)、単方向積層より優れた多方向バルク強度を実現します。

たとえば、Eigerのデフォルト等方性ファイバー充填は方向コード[0/45/90/135]を使用します。これは、最初のファイバー層が水平、2番目が45°、という順序で繰り返されることを意味します。お客様は任意の長さのカスタム方向コードを定義し、設計ニーズに合わせて積層を調整できます。

向上した機能

Mark Twoは、Mark Oneより最大15倍小さな形状で高強度ファイバー補強パーツを提供します。アップグレードされたソフトウェアも、等方性ファイバー充填による準等方性性能を向上させています。

Eigerのパーツビューでは、ファイバー角度入力ボックスに方向コードが反映されます。[0/45/90/135]のようなコードを入力すると、すべての層で等方性ファイバーを使用する場合に横等方性パーツが作成されます。カンマ区切りで角度を入力するだけです。

新しいファイバールーティングアルゴリズムにより、Mark Twoは等方性ファイバーをカーボンファイバーフィラメントと新しい高強度・高温(HSHT)ファイバーグラスフィラメントの両方でプリントできるようになりました。これはMark Oneにはなかった機能です。Mark Twoで等方性ファイバーレイヤーをスライスすると、アルゴリズムはハイブリッド充填を生成します。外側は同心円リング、内側は等方性充填です。これにより優れた表面仕上げを維持しながら高い内部強度を実現し、カーボンファイバー3Dプリントで達成可能な最強パーツが生まれます。

きめ細かな補強制御

外部ビューで迅速な補強が可能ですが、3D内部ビューでは層グループごとの方向コードを詳細に制御できます。まずEigerライブラリからパーツを選び、内部ビューを開きます。

内部ビューでは、レイヤーバーのファイバー層グループをクリックして編集します。新しいグループを作るには、開始点または終了点から目的の層範囲をドラッグし、変更を適用をクリックして確定します。グループのサイズ変更は三角形の区切りをドラッグして行います。

グループで等方性ファイバーを使用すると、右上のレイヤー制御ボックスにファイバー角度フィールドが表示されます。パーツビューのグローバル設定とは異なり、これにより選択したグループ専用の方向コードを調整でき、パーツ形状に基づいてファイバー配置を精密に制御できます。

Eigerのインターフェースにより、複数層にわたるファイバー補強を迅速かつ正確に設定できます。

このシリーズの第2部はこちらからお読みください。ファイバー補強の配置戦略を解説し、強度と材料効率を最大化する方法を紹介します。

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