Markforged 3Dプリントの高度なファイバールーティング技術: 強度と性能を向上

編集部注: これはMarkforged 3Dプリンターの効率的なファイバールーティングに関する包括的シリーズの第2部です。プリンターを初めてお使いの方は、こちらからお問い合わせください。復習が必要な方は、第1部はこちら。

高度なファイバールーティング技術

3Dプリント向け設計は、他の製造プロセスと同じ厳格さが求められます。特にMarkforgedの高強度システムを扱うときはそうです。特定の形状と戦略が特定のプロセスで優れており、適切なファイバールーティングを選べば、プリント時間と材料使用を最適に保ちながらパーツ強度を劇的に高められます。

前回は基本的な補強手法(サンドイッチパネル、ペリメーター補強、シェリング)とその効果的な適用を探りました。今回は、現実世界の条件下で性能を発揮するパーツを作るため、層ごとに荷重経路を狙った高度な戦略を深掘りします。

特定方向の強度に最適化

同心補強はパーツ周囲にファイバーを分布させ、汎用的な強度に適しています。しかし多くの機能パーツは特定方向の荷重を受けます。ドローンアームの曲げや機械リンクのトルクなどです。ファイバーを主要荷重方向に揃えると、剛性を高め材料無駄を減らせます。

従来の複合材料製造では、各プライを特定のファイバー角度で積層します。連続層を回転させることで、メーカーは全方向に強度をバランスさせる準等方性積層を実現します。Markforgedの「ファイバー角度」オプションでは、すべての補強層を単一角度に固定したり、少数の角度を交互にしたりして、高度に方向性のある補強を作れます。

たとえば、ドローンアームは通常、たわみ防止のため長手方向の補強が必要です。すべての補強層のファイバー角度を0°に設定すれば、アーム方向の剛性を最大化しつつ余分な材料を最小化できます。2方向の荷重が重要なら、2つの角度を交互にして両軸を補強します。

ファイバーストライピング

ファイバーストライピングは、複数の積層サンドイッチパネルを使ってXY平面での曲げを補強します。断面が一貫し、十分な厚みがあるパーツでは、ストライピングにより均一なファイバー補強が得られ、ねじり強度が大幅に向上します。

選択的補強

パーツの荷重プロファイルが形状によって変わる場合(オートバイのフットペグマウントなど)、均一な補強は非効率、甚至は有害になりえます。選択的補強は高応力領域を狙い、他を軽量に保ちます。

STS Turboのお客様のリアフットペグマウントを考えてみましょう。上部の「ウィング」がライダーの足を守り、取り付け部がボルト荷重を担います。標準的なサンドイッチパネルでは最外層にファイバーが追加され、不均一な構造になって荷重下で破損する恐れがあります。

足ガード用と取り付けブラケット用の2つの別個のサンドイッチセクションを定義することで、各重要領域の周りに均一なパネルを実現します。この選択的アプローチで、最も重要な場所の構造的完全性を維持します。

さらに、座ぐり領域を中心に薄いファイバー層を追加してボルト穴周りを補強すると、局所圧縮強度が向上し、フットペグをボルト留めしたときの裂けを防ぎます。

組み合わせ

MarkforgedのEigerソフトウェアは層レベルの制御を提供し、複数の補強戦略をブレンドできます。たとえば、パーツ下部をシェリングしてZ軸曲げを強化し、上部に同心ファイバーで圧縮とねじり性能を高めるといった具合です。

フットペグマウントを例に、荷重負担セクションに選択的補強、下部領域をシェリングしてZ軸曲げ対策、取り付けナブに同心ファイバーを追加します。その結果、面内曲げ、ボルト圧縮荷重、ねじり力すべてに耐えつつ、材料使用を最小化したパーツが完成します。

パーツ設計を次のレベルへ引き上げたいですか？ 質問やガイダンスが必要なら、お問い合わせください。ファイバールーティングをマスターし、Markforgedプリントの全潜在能力を解き放つお手伝いをさせていただきます。

Markforgedプリンターをお持ちでない方は、デモをリクエストしてEigerソフトウェアを実際にご覧ください。