カーボンファイバー3D印刷で最強のパーツ–等方性フィルパート1

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ライターのメモ：これは、アイガーの等方性繊維の塗りつぶしパターンを使用して、マーク2で非常に強力なパーツを作成することに関する2部構成の投稿の最初のものです。この投稿では、Markforgedプリンターを使用して、従来の複合材料の高強度レイアップパターンを概算する方法を確認します。フォローアップの投稿では、強化されたパーツの強度を最大化するためにこれらの戦略を使用する方法に取り組みます。この投稿では、ブログで通常行うよりも少し技術的になりますが、用語（短いコンポジット用語集が含まれています）をゆっくりと説明します。複合材で強化された高強度3D印刷を効果的に設計する方法についてのより深い理解。

コンポジットの背景

Markforgedの連続ストランド複合3Dプリンターを使用すると、高度に自動化された3D印刷システムで、複合繊維で強化された工業用強度の3D印刷部品を作成して、準等方性複合ラミネートと同様の特性を実現できます。準等方性3D印刷部品は、さまざまな軸に沿ってさまざまな材料特性を備えており、Eigerスライシングソフトウェアで繊維配向を変えることにより、部品がさらされる可能性のある特定の荷重アプリケーションに耐える強力な部品を設計できます。

高強度の等方性材料*の特性により、部品の設計が容易になります。材料がすべての方向で同じ特性を持っている場合、目的の用途に十分な強度の部品を作成することは、形状の問題にすぎません。材料特性が 異なる軸間で異なる場合（3D印刷の場合のように）、準等方性*材料が次善の選択肢です。これは、考慮しなければならない1つの軸のみに沿って強度の違いがあり、必要な時間が大幅に短縮されるためです。完全に異方性の*材料を使用する場合よりも、部品の強度を最適化するように設計作業を行います。材料特性の変化の詳細については、以下の複合材料特性の方向に関する一般的な用語を参照してください。便宜上、すべての3D印刷部品は、Z方向（印刷床面に垂直な軸）で異なる材料特性を持つことを理解した上で、Markforgedは、「等方性」を説明する際に「準等方性」から「準等方性」を削除しました。繊維の充填タイプ。

複合用語集

• 等方性材料 —材料や観察方向に関係なく、すべての方向で均一な材料特性を持ちます。ほとんどの（すべてではありませんが）金属は、非常に等方性の特性を持つ傾向があります。
• 異方性 —方向に依存するプロパティを持つ全体的な状態。異方性として特徴付けられる材料は、等方性であるという特性を示していませんが、そのような一般的な分類では、材料がどの軸にどのように、またはどの軸に沿って方向に依存しているかについての情報は提供されません。以前に示したリビングヒンジパーツは、曲げ要素と、より剛性の高いケブラー強化領域が含まれているため、優れた例です。
• 直交異方性材料 —木材などは、3つの相互に直交する（互いに90度の角度で）軸に沿って異なる特性を示します。木は木目線に沿って簡単に裂ける傾向があるので良い例ですが、他の方向に切ることや割ることは難しいです。
• 準等方性材料 —多くの場合、2つの軸で近似または等方性の材料ですが、3番目の方向では特性が異なります。これは、「等方性繊維」補強パターンを含むMarkforged 3D印刷部品の正確な一般的な説明であり、主に以下で説明する「繊維角度」プロパティで使用される値に関係ありません。
• 横等方性材料 —は準等方性材料のサブセットであり、特に、部品の横断面で等方性が発生する材料を指します（3D印刷部品の各層（XY平面）で均一な特性を考えます）。単一軸（3DプリントパーツのZ軸）。 Markforged 3Dプリンターでは、等方性ファイバーの塗りつぶしパターンと以下で説明するデフォルトの「ファイバー角度」の値を使用すると、これは非常に近似されます。

従来の熱硬化性複合材料（炭素繊維のほとんどの消費者用途ではこのタイプの複合材料を使用）は、さまざまな方向のパターンで配向された一方向複合材料（多くの場合、織布または一方向テープの形）の数十から数千の積み重ねられた層から作られています。複合設計者は、これらの繰り返しパターンを簡単に説明する方法を提供するために、「方向コード」の形式の命名構造を採用しています。連続する各層は、通常、下の層に対してある角度（多くの場合45度）で回転します。各層の織布を構成する複合繊維は引張方向で最も強いため、各層の布を回転させると、布が各層に同じ方向に置かれた場合よりもはるかに高い多方向のバルク強度と剛性。

複合配向コードに関する優れた入門書は、米国海軍兵学校からのこのプレゼンテーションで見つけることができます。従来の方向コードは、特定の複合レイアップ戦略で使用されるさまざまな角度を示すために、角かっこで囲まれ、スラッシュで区切られた一連の角度で記述されます。たとえば、Eigerのデフォルトの等方性繊維充填パターンは[0/45/90/135]の方向コードを使用します。これは、繊維強化の最初の層が水平から0度の角度で一方向パターンで印刷されることを意味します。ファイバーの2番目のレイヤーは水平から45度回転し、このシーケンスはコードが完了するまで続きます。コードが完了すると、パターンは水平から再開します。 Eigerはまた、お客様に、繰り返しの長さを問わず、独自の完全にカスタムのオリエンテーションコードを開発する機能を提供します。注目すべきは、個々の層には高度の異方性があり、個々の複合繊維の長さに沿った方向の強度がはるかに高い一方で、回転方向の複合材料の複数の層を追加すると、複数の方向の強度がすばやく追加され、結果としてバルクエンティティとして等方性である部分。

改善された機能

Mark Two 3Dプリンターは、Mark Oneの15分の1の形状で高強度繊維強化部品を堅牢に製造するように設計されていますが、アップグレードされたソフトウェアアルゴリズムにより、高強度の準等方性特性を備えた強化部品を作成する機能も大幅に向上しています。等方性繊維の充填タイプ。

上の画像では、Eigerの外部の「PartView」ファイバー構成パネルから、「FiberAngles」の入力ボックスがあることに気付くでしょう。これは、上記の方向コードを表したものであり、アイガーの繊維強化部品の高レベルのバルク材料特性をすばやく制御する1つの方法です。 Eigerが使用するデフォルトの[0/45/90/135]コードは、等方性ファイバーフィルでパーツのすべてのレイヤーを補強すると、横方向に等方性のパーツを生成します（上記の用語ボックスを参照）。 Eigerで方向コードを入力するには、上の画像のように、パターンに含めるさまざまな繊維方向の角度を[ファイバー角度]ボックスにコンマで区切って入力するだけです。

改良されたファイバールーティングアルゴリズムにより、Mark Twoは、Markforged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）グラスファイバーフィラメントを使用して等方性ファイバーフィルを印刷できます。これは、技術的限界のためにMarkOneでは利用できなかったオプションです。アルゴリズム自体は、対応するMark Oneから更新されています。Eigerの2D内部ビューを使用して、Mark Two用にスライスされた等方性ファイバーフィルを含むレイヤーを表示すると、新しいアルゴリズムにより、同心リングがオンのハイブリッドフィルタイプが有効になります。パーツの外側と、パーツの内部領域を埋める指定された方向角度での等方性塗りつぶし。これにより、内部で高い全体的な強度と剛性を維持しながら、外部表面の仕上げが改善された部品が生成されます。この戦略を使用すると、カーボンファイバーの3Dプリントで最強のパーツを実現できます。

最強の部品のより細かい制御

外部ビューのファイバーパラメータは、迅速な鉄筋に適していますが、パーツの強度をさらに制御する必要がある場合は、Eigerのパーツの3D内部ビューで特定のレイヤーグループの方向コードを編集することもできます。まず、Eigerライブラリからパーツを選択し、内部ビューに入ります。これにより、デフォルトで3Dビューが表示されます。

内部3Dビュー内に移動したら、レイヤーバーで既存のファイバーレイヤーグループをクリックして選択します。

新しいグループを作成するには、目的のグループの開始点または終了点にあるレイヤーバーをクリックし、マウスボタンを押したまま、グループ内の目的のレイヤーをドラッグします。次に、右上のレイヤーコントロールボックスで[変更を適用]をクリックして、新しいグループを作成します。

グループに選択したレイヤーに満足できない場合は、いつでも三角形のレイヤーグループ区切り文字をドラッグしてレイヤーのサイズを変更できます。等方性ファイバーフィルを使用するように構成された定義済みのレイヤーグループを選択すると、外部パーツビューに表示される[ファイバー角度]フィールドが右上のレイヤーコントロールボックスにも表示されます。このパラメータを使用すると、外部パーツビューで行ったのと同じレベルのファイバー方向コードを制御できます。ただし、3D内部ビューエディタの[ファイバー角度]フィールドでは、パーツ全体のすべてのファイバーに方向コードをグローバルに適用するのではなく、選択したレイヤーグループのみの方向コードを変更できます。これにより、パーツの特定の形状に合わせて高強度繊維の配置を調整することができます。

これでほぼ完了です。Eigerを使用すると、パーツ内の繊維補強材のさまざまな層をすばやく簡単に構成できます。

この投稿のパート2をここで読んでください– where を最適化するための最良の戦略を紹介します 最も効果的な繊維の使用のために部品の強度を最大化するために繊維補強を配置する必要があります！

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