MMF #3 : Construire des charnières industrielles imprimées 3D avec joints vivants renforcés Kevlar

Markforged Mechanical Features (MMF) est une série d'articles qui distille des stratégies éprouvées pour fabriquer des pièces mécaniques conventionnelles en utilisant les imprimantes 3D composites renforcées de Markforged.

Un défi persistant avec les technologies FFF et CFF est la liaison plus faible sur l'axe vertical. Les couches s'empilent les unes sur les autres, et l'adhérence inter-couche se comporte souvent comme une couture, limitant la résistance en traction. Sur la Mark Two, les fibres continues courent parallèlement au plateau de construction, donnant une résistance extraordinaire dans le plan mais laissant l'axe vertical relativement vulnérable. La clé pour surmonter cette anisotropie est la géométrie : concevoir la pièce pour qu'elle subisse la majorité de sa charge dans le plan horizontal, puis appliquer des astuces de conception qui répartissent le stress plus uniformément.

Le nylon Markforged est intrinsèquement flexible, ce qui ouvre la porte aux « charnières vivantes » — sections flexibles qui agissent comme une articulation sans matériel séparé. En renforçant ces charnières avec de la fibre, nous pouvons combiner la flexibilité du nylon avec la résistance à la traction des fibres, produisant des composants à la fois légers et robustes.

Le Kevlar®, avec son mélange unique de haute résistance à la traction et de flexibilité exceptionnelle, est idéal pour ces applications. Bien que la fibre de carbone et la fibre de verre offrent une rigidité plus élevée, elles ont tendance à se fracturer aux angles vifs requis pour le pliage. La flexibilité du Kevlar lui permet de maintenir sa résistance même lorsqu'il est plié en rayons serrés.

Dans l'exemple ci-dessous, la conception est optimisée pour éviter les matériaux de support excessifs et pour assurer que la pièce reste résistante dans toutes les directions.

La disposition des filaments dans Eiger montre une seule couche de motifs Kevlar concentriques. Cette unique couche suffit pour supporter plusieurs dizaines de livres tout en gardant les charnières flexibles.

Pour repousser les limites, j'ai conçu un cube pliable en Kevlar dans Autodesk Fusion 360 qui pourrait supporter le poids corporel de l'auteur. Le cube utilise des joints à encliquetage et des emboîtements mortaise-tenon pour verrouiller les faces une fois pliées.

Chaque face est un composant distinct pendant la conception, permettant un contrôle précis du comportement de pliage. Des languettes à torsion et des chanfreins type queue d'aronde sur les bords restants permettent aux deux dernières faces de se verrouiller en place.

Après avoir finalisé la géométrie, j'ai aplati l'assemblage en CAO, capturant les profils de base de chaque composant et les extrudant de 0,875 mm. Cette épaisseur crée une charnière vivante qui accueille une seule couche de Kevlar, offrant à la fois flexibilité et résistance.

La disposition finale d'impression est montrée ci-dessous. Dans Eiger, des anneaux concentriques de Kevlar renforcent la première couche de charnière, tandis que des panneaux sandwich sur chaque face raidissent davantage la structure.

Après impression, j'ai assemblé le cube et testé sa capacité de charge. Le cube entièrement assemblé pouvait supporter environ 59 kg (le poids corporel de l'auteur) sans déformation. Dans un test plus rigoureux, le cube a résisté à 136-181 kg avant que les joints ne se désengagent, après quoi la structure pouvait être ré-assemblée sans dommage permanent.

Ces résultats démontrent que les charnières vivantes renforcées fibre permettent la création de pièces imprimées 3D qui sont fortes, légères et isotropes. Si vous êtes intéressé à essayer cette technique vous-même, téléchargez le fichier STL ou .mfp ci-dessous. Vous voulez tester la résistance vous-même ? Commandez une pièce d'échantillon gratuite ici !