Remplissage fibre isotrope : construire les pièces 3D imprimées les plus résistantes – Partie 2

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Note de l'auteur : Ceci est le second article de notre série en deux parties sur la conception des pièces les plus résistantes avec le remplissage Fibre Isotrope d'Eiger en utilisant la fibre de carbone sur la Mark Two. L'article précédent couvrait les fondamentaux du renforcement composite et la logique derrière notre motif Isotrope unique. Ici, nous nous concentrons sur comment appliquer ce remplissage le plus efficacement pour produire les pièces les plus résistantes tout en minimisant poids et coût.

Nous avons déjà exploré les bases du renforcement composite et des orientations de fibre dans Eiger. Maintenant, nous plongeons dans l'efficacité du renforcement — maximiser la résistance sans ajouter de masse ou dépense inutiles. Renforcer une couche avec le remplissage Fibre Isotrope d'Eiger ajoute rigidité et résistance, mais est-ce toujours nécessaire ? La réponse réside dans la position de la couche par rapport aux charges que la pièce subira.

Avant de renforcer, il est essentiel de comprendre comment les pièces physiques répondent aux forces externes. Considérez une poutre simplement supportée aux deux extrémités et libre de se translater le long de l'axe x, comme montré ci-dessous.

Quand une force F est appliquée, la poutre fléchit vers le bas. L'amplitude de la flèche dépend de F, de la géométrie de la poutre, et de ses propriétés matérielles. Une vue en section transversale de la poutre sous flexion montre que le côté le plus proche de la charge est en compression, tandis que le côté opposé est en tension.

Le diagramme illustre les contraintes de flexion σ à travers l'épaisseur de la poutre. Les longueurs des flèches représentent l'amplitude de la contrainte, tandis que leur direction indique compression (flèches vers le haut) ou tension (flèches vers le bas). L'axe neutre — où la contrainte est nulle — traverse le centre. Cela signifie que les contraintes les plus élevées se produisent aux surfaces extérieures. Par conséquent, si vous renforcez une pièce qui fléchira, vous devriez placer le matériau haute résistance près de ces surfaces, miroir des principes de conception derrière les poutres en I et panneaux sandwich.

Les poutres en I et panneaux sandwich ont été développés pour atteindre haute résistance et rigidité avec un poids minimal. Comme les contraintes de flexion culminent aux surfaces extérieures, ajouter du matériau haute résistance là maximise la capacité portante tout en gardant la masse faible. Les panneaux sandwich répartissent la charge sur une plus grande surface, permettant des matériaux de noyau plus légers et réduisant le besoin d'un âme concentré.

Superposition de panneaux sandwich dans Eiger

Dans Eiger, l'algorithme par défaut crée un panneau sandwich quand vous ajoutez de la fibre depuis la page Vue Pièce. La moitié des Couches Fibre sélectionnées sont placées sur le haut de la pièce (sous les quatre couches solides plastique du haut) et l'autre moitié sur le bas (au-dessus des quatre premières couches solides plastique du bas). Cela fonctionne bien pour les pièces symétriques par rapport à un plan parallèle au plateau de construction, comme le train d'atterrissage du drone Snotbot imprimé par Olin College.

Comme montré dans les photos, l'algorithme a ajouté 10 couches de renforcement Kevlar au haut et au bas de la pièce, produisant un panneau sandwich équilibré. Cependant, quand une pièce n'est pas symétrique — comme le levier de frein moto qu'on utilise souvent aux salons — l'algorithme par défaut échoue à placer la fibre là où elle est le plus nécessaire.

Dans ce cas, l'algorithme ajoute de la fibre seulement au bas, laissant la surface supérieure sous-renforcée car la petite crête de la douille en bronze brise la symétrie. Pour créer le plus grand panneau sandwich, vous devez repositionner le groupe de couches supérieur pour que la fibre atteigne la surface supérieure du levier.

Notre première directive pour des pièces résistantes sur la Mark Two est de construire les plus grands, plus épais panneaux sandwich d'abord en utilisant le remplissage Fibre Isotrope avec un ou deux anneaux concentriques dans les couches les plus éloignées.

Pour le levier de frein, déplacez le groupe de couches supérieur vers le bas jusqu'à ce que la fibre coure au sommet du corps du levier, comme illustré ci-dessous.

Quand plusieurs régions potentielles de panneaux sandwich se chevauchent — comme le bras de manivelle de l'équipe Véhicules à Propulsion Humaine UW-Madison design 2016 — vous pouvez superposer des panneaux. Le bras de manivelle a plusieurs zones qui pourraient bénéficier du renforcement : le haut et bas du corps principal, et les extrémités à bride qui subissent des cônes de contrainte induits par boulons.

Commencez en laissant l'algorithme par défaut ajouter quatre couches de remplissage Fibre Isotrope au haut et bas de toute la pièce. Même si les deux couches ont des aires de section transversale différentes, cette approche maximise la capacité de la pièce à résister aux charges de flexion du cycliste.

Ensuite, renforcez la bride qui connecte le bras de manivelle au vilebrequin. Puisque nous avons déjà renforcé le bas de la bride dans la première étape, ajoutez un groupe de couches environ 25 couches dans la pièce, juste là où la bride se termine. Cela crée un second panneau sandwich plus mince qui partage la couche de peau du bas avec le panneau plus grand, un concept qu'on appelle superposition.

Finalement, comme les bras de manivelle de vélo subissent des charges torsionnelles complexes, ajoutez une couche fibre additionnelle autour du plan milieu pour contrer les contraintes de cisaillement, qui culminent près de l'axe neutre. Cela produit une configuration avec quatre groupes de fibre distincts formant une série de panneaux sandwich.

Ces étapes produisent l'une des configurations les plus résistantes mais légères réalisables avec Eiger.

Trois directives clés pour l'impression 3D haute résistance avec renforcement fibre :

• Commencez avec le plus grand, plus épais panneau sandwich utilisant le remplissage Fibre Isotrope.
• Superposez des panneaux sandwich additionnels pour renforcer pleinement les géométries complexes.
• Ajoutez un groupe de couches fibre au plan milieu pour atténuer les contraintes de cisaillement torsionnelles.

Bien que des exceptions existent, ces directives fournissent une base solide pour concevoir des pièces robustes. Prêt à renforcer une pièce vous-même ? Explorez la Mark Two aujourd'hui !