Vos pièces les plus solides avec l'impression 3D en fibre de carbone – Remplissage isotrope, partie 1

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Note de l'écrivain :il s'agit du premier d'un article en deux parties sur l'utilisation du motif de remplissage en fibres isotropes d'Eiger pour fabriquer des pièces extrêmement solides avec un Mark Two. Dans cet article, nous allons examiner comment approximer les motifs de superposition à haute résistance des composites traditionnels avec une imprimante Markforged. Dans le post de suivi, nous verrons comment utiliser ces stratégies pour une résistance maximale de vos pièces renforcées. Nous allons devenir un peu plus techniques dans cet article que nous ne le faisons généralement dans notre blog, mais nous allons ralentir la terminologie (nous avons inclus un court glossaire de terminologie des composites), et nous pensons que vous apprécierez une compréhension plus approfondie de la façon de concevoir efficacement pour l'impression 3D haute résistance renforcée par des composites.

Un arrière-plan composites

Les imprimantes 3D composites à brin continu de Markforged permettent à nos clients de créer des pièces imprimées en 3D de résistance industrielle, renforcées de fibres composites pour produire des propriétés similaires aux stratifiés composites quasi-isotropes, dans un système d'impression 3D hautement automatisé. Les pièces imprimées en 3D quasi-isotropes ont des caractéristiques de matériaux variables le long de différents axes, et en faisant varier l'orientation des fibres dans notre logiciel de tranchage Eiger, vous pouvez concevoir des pièces solides pour résister à des applications de chargement spécifiques auxquelles la pièce peut être exposée.

Les propriétés des matériaux isotropes à haute résistance* facilitent la conception des pièces d'ingénierie - si un matériau a les mêmes propriétés dans toutes les directions, alors la fabrication d'une pièce suffisamment solide pour une application prévue n'est rien de plus qu'une question de géométrie. Dans le cas où les propriétés matérielles seront diffèrent selon les différents axes (comme c'est le cas dans l'impression 3D), un matériau quasi-isotrope* est la deuxième meilleure option, car il y a une différence de résistance le long d'un seul axe qui doit être pris en compte et cela nécessitera beaucoup moins de temps et travail de conception pour optimiser la résistance des pièces qu'avec un matériau complètement anisotrope*. Voir la terminologie commune pour l'orientation des propriétés des matériaux composites ci-dessous pour une discussion plus approfondie des variations des propriétés des matériaux. Notez que pour plus de commodité, et étant entendu que toutes les pièces imprimées en 3D auront des propriétés matérielles différentes dans la direction Z (l'axe normal au plan du lit d'impression), Markforged a supprimé le "quasi-" de quasi-isotrope en décrivant notre "Isotrope Type de remplissage fibre.

Lexique de terminologie composite

• Matériaux isotropes — avoir des propriétés de matériau uniformes dans toutes les directions, indépendamment du matériau ou de l'orientation d'observation. La plupart des métaux (mais pas tous) ont tendance à avoir des propriétés hautement isotropes.
• Anisotropie — un état global d'avoir des propriétés dépendantes de la direction. Un matériau caractérisé comme anisotrope ne démontre pas la propriété d'être isotrope, mais une telle classification générale n'offre aucune information sur la façon dont ou le long de quels axes le matériau est dépendant de la direction. La pièce de charnière vivante que nous avons démontrée précédemment est un excellent exemple, car elle contient des éléments de flexion, ainsi que des régions plus rigides et renforcées de Kevlar.
• Matériaux orthotropes — comme le bois, présentent des propriétés qui diffèrent le long de trois axes mutuellement orthogonaux (à 90 degrés l'un par rapport à l'autre). Le bois est un bon exemple car il a tendance à se fendre facilement le long des lignes de fil, mais il est difficile à couper ou à fendre dans d'autres directions.
• Matériaux quasi-isotropes — souvent approximatifs ou sont des matériaux isotropes dans deux axes, mais ont des propriétés différentes dans une troisième direction. Il s'agit d'une description générale précise des pièces imprimées en 3D Markforged qui incluent le motif de renforcement « Fibre isotrope », principalement sans tenir compte des valeurs utilisées dans la propriété « Angles de fibre » décrite ci-dessous.
• Matériaux isotropes transverses - sont un sous-ensemble de matériaux quasi-isotropes et font spécifiquement référence aux matériaux dans lesquels l'isotropie se produit dans le plan transversal d'une pièce (pensez à des propriétés uniformes dans chaque couche - le plan XY - d'une pièce imprimée en 3D), avec des propriétés de matériau différentes le long un seul axe (l'axe Z dans une pièce imprimée en 3D). Avec une imprimante 3D Markforged, cela est très proche de l'utilisation du motif de remplissage de fibre isotrope et des valeurs par défaut « Angles de fibre » décrites ci-dessous.

Les composites thermodurcissables traditionnels (la plupart des utilisations grand public de la fibre de carbone emploient ce type de composite) sont constitués de dizaines à des milliers de couches empilées de matériau composite unidirectionnel (souvent sous la forme de tissu tissé ou de ruban unidirectionnel) orientées selon un motif de différentes directions ; Les concepteurs composites utilisent une structure de nomenclature sous la forme d'un « code d'orientation » pour fournir une manière simplifiée de décrire ces modèles répétitifs. Chaque couche successive est généralement tournée d'un certain angle (souvent 45 degrés) par rapport à la couche en dessous, et puisque les fibres composites constituant le tissu tissé dans chaque couche sont les plus résistantes dans leur direction de traction, la rotation du tissu de chaque couche produit une pièce avec un résistance et rigidité en vrac multidirectionnelles beaucoup plus élevées que si le tissu avait été étendu dans la même direction sur chaque couche.

Une excellente introduction aux codes d'orientation composites peut être trouvée dans cette présentation de l'US Naval Academy. Un code d'orientation traditionnel est décrit par une série d'angles placés entre crochets et séparés par des barres obliques, pour désigner les divers angles utilisés dans une stratégie de superposition composite particulière. Par exemple, le motif de remplissage de fibre isotrope par défaut d'Eiger utilise un code d'orientation de [0/45/90/135], ce qui signifie que la première couche de renfort en fibre est imprimée dans un motif unidirectionnel à un angle de 0 degré par rapport à l'horizontale. La deuxième couche de fibre est tournée de 45 degrés par rapport à l'horizontale, et cette séquence se poursuit jusqu'à ce que le code soit terminé, moment auquel le motif recommence à partir de l'horizontale. Eiger offre également à nos clients la possibilité de développer leurs propres codes d'orientation entièrement personnalisés, de n'importe quelle longueur de répétition. Il est à noter que bien que chaque couche individuelle contienne un degré élevé d'anisotropie, avec une résistance beaucoup plus élevée dans le sens de la longueur des fibres composites individuelles, l'ajout de plusieurs couches de composite avec sens de rotation ajoute rapidement de la résistance dans plusieurs directions, résultant dans une partie isotrope en tant qu'entité en vrac.

Capacités améliorées

L'imprimante 3D Mark Two a été conçue pour produire de manière robuste des pièces renforcées de fibres à haute résistance avec des géométries 15 fois plus petites que la Mark One, mais nos algorithmes logiciels améliorés lui confèrent également des capacités considérablement améliorées pour créer des pièces renforcées avec des propriétés quasi-isotropes à haute résistance en utilisant notre ' Type de remplissage fibre isotrope.

Vous remarquerez dans l'image ci-dessus, à partir du panneau de configuration de fibre externe « Part View » dans l'Eiger, qu'il existe une zone de saisie pour « Fiber Angles ». Il s'agit d'une représentation du code d'orientation mentionné ci-dessus et constitue un moyen de contrôler rapidement les propriétés de haut niveau du matériau en vrac d'une pièce renforcée de fibres dans l'Eiger. Le code par défaut [0/45/90/135] utilisé par Eiger produira une pièce transversalement isotrope (voir la boîte de terminologie ci-dessus) si vous renforcez chaque couche de la pièce avec le remplissage en fibre isotrope. Pour saisir un code d'orientation dans Eiger, tapez simplement les angles des différentes orientations des fibres que vous souhaitez dans votre motif dans la case « Angle de la fibre », séparés par des virgules comme dans l'image ci-dessus.

Les algorithmes de routage de fibre améliorés permettent également à la Mark Two d'imprimer un remplissage de fibre isotrope à l'aide de filaments de fibre de carbone Markforged ainsi que notre nouveau filament de fibre de verre haute résistance et haute température (HSHT) - des options qui n'étaient pas disponibles avec la Mark One en raison de limitations techniques. L'algorithme lui-même a été mis à jour à partir de son homologue Mark One - si vous utilisez la vue interne 2D d'Eiger pour afficher une couche avec un remplissage en fibre isotrope tranché pour le Mark Two, vous remarquerez que le nouvel algorithme permet un type de remplissage hybride, avec des anneaux concentriques sur l'extérieur de la pièce et un remplissage isotrope à l'angle d'orientation spécifié remplissant la zone interne de la pièce. Cela produit une pièce avec une finition de surface externe améliorée, tout en maintenant une résistance et une rigidité globales élevées à l'intérieur. En utilisant cette stratégie, les pièces les plus solides peuvent être obtenues grâce à l'impression 3D en fibre de carbone.

Un contrôle plus fin pour les pièces les plus solides

Les paramètres de fibre de la vue externe sont bons pour un renforcement rapide, mais si vous avez besoin de plus de contrôle sur la résistance de vos pièces, vous pouvez également modifier les codes d'orientation de groupes de couches spécifiques dans la vue interne 3D d'une pièce dans Eiger. Pour commencer, sélectionnez une pièce dans votre bibliothèque Eiger et entrez dans la vue interne, qui vous amène à la vue 3D par défaut.

Une fois dans la vue 3D interne, sélectionnez un groupe de couches de fibres préexistant dans la barre des couches en cliquant dessus.

Pour créer un nouveau groupe, cliquez sur la barre des calques au début ou à la fin du groupe souhaité et maintenez le bouton de la souris enfoncé tout en faisant glisser sur les calques que vous voulez dans le groupe. Cliquez ensuite simplement sur « Appliquer les modifications » dans la zone de contrôle des calques en haut à droite pour créer le nouveau groupe.

Si vous n'êtes pas satisfait des calques que vous avez choisis pour le groupe, vous pouvez toujours faire glisser les délimiteurs de groupe de calques triangulaires pour redimensionner le calque. Une fois que vous avez sélectionné un groupe de calques défini qui est configuré pour utiliser le remplissage de fibres isotropes, vous remarquerez que le champ « Angles de fibres » visible dans la vue de pièce externe est également visible dans la zone de contrôle des calques en haut à droite. Ce paramètre vous permet le même niveau de contrôle sur les codes d'orientation de fibre que vous aviez dans la vue de pièce externe, sauf qu'au lieu d'appliquer le code d'orientation globalement sur toutes les fibres de la pièce entière, le champ Angles de fibre dans l'éditeur de vue interne 3D vous permettent de modifier le code d'orientation uniquement pour le groupe de calques sélectionné. Cela vous donne le contrôle pour adapter le placement des fibres à haute résistance à la géométrie spécifique de votre pièce.

Et c'est à peu près tout - Eiger rend incroyablement simple la configuration rapide des différentes couches de renfort en fibre dans une pièce !

Lisez la partie 2 de cet article ici - nous vous expliquerons les meilleures stratégies pour optimiser où vous devriez mettre un renfort de fibre afin de maximiser la résistance de la pièce pour une utilisation plus efficace de la fibre !

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