高效纤维路由优化 3D 打印零件强度——第 1 部分

编辑注：这是 Markforged 3D 打印机高效纤维路由综合系列的第 1 部分。如果您是 Markforged 平台新手想了解更多，请联系我们. 读完本文后，请探索第 2 部分获取进阶技巧。

纤维填充类型

我们的高强度 3D 打印机提供两种不同的纤维填充策略来增强零件：各向同性纤维和同心纤维。这些选项可在零件视图页面全局应用，或在内部视图页面逐层应用。每种填充类型提供独特的增强特性——详见下文。如果您没有 Markforged 打印机，仍可通过 Eiger 试用测试这些策略。

首先，一些标准命名约定以便统一理解。我将频繁提及不同轴向和平面的强度，请参考此键作为指南：

同心填充增强

同心填充在零件外轮廓内描绘特定数量的壳层，增强零件壁抵抗 Z 轴弯曲的能力。因打印头沿外轮廓螺旋内移，运动非线性且必须减速以维持精准刀具路径跟踪，这会增加构建时间。您可指定同心环数量，精确控制每层纤维用量。

各向同性填充增强

我们的连续纤维打印机还能生产各向同性纤维填充模式，模拟传统层压复合材料的单向层。每层由单一角度的平行纤维组成，边缘处 180° 转向。后续各向同性层由 Eiger 自动旋转 45°，也可自定义取向模式（见第 2 部分）。各向同性纤维抵抗 XY 平面弯曲，因任何施加力都会在至少部分纤维上产生拉伸载荷，而纤维擅长抗拉。也可用于构建三明治面板以提升该平面扭转强度。

默认情况下，各向同性纤维在外表面添加两个同心环，确保平滑增强外表面。虽然此法增强每层整个平面，但纤维和时间密集，并不总是制造强零件的必要手段。

基础纤维路由技术

有了这两种纤维路由选项，您可以组合它们以针对特定载荷路径，节省材料和打印时间同时最大化强度。

单三明治面板

三明治面板是常见复合铺层，增强复合板形成表面的扭转刚度。可视为复合材料等效的 I 型梁，顶底层承受最大弯曲应力。若零件将在 XY 平面经受扭转，三明治面板将显著提高扭转强度。

我们的软件在选择“使用纤维”时自动生成三明治面板，但最适合顶底层匹配的对称零件。示例中刹车手柄顶面为小型凸台，我们手动在最大顶面下方添加纤维。通常三明治面板应由截面积相似的层组成。

为保持三明治平衡，确保您想增强的顶底表面拥有相同数量的各向同性层。不均匀三明治产生不对称弯曲刚度，可能导致翘曲或过早失效。每侧层数越多、两面板距离越远，零件越强。置于零件中心的纤维对弯曲强度影响较小，因此完全填充内部并非必要。

纤维周边

三明治面板强化 XY 平面，而纤维周边强化 Z 轴周围零件。在每层应用同心填充可增加壁刚度抵抗 Z 轴弯曲。这镜像了工程中用 C 型钢或管材代替实心块以减重同时保持强度的做法。

要设置纤维周边，在您想增强的层选择同心填充。增加同心环数或将同心填充延伸至更多层可提升 Z 轴强度。刹车手柄示例中，我们用三个同心环增强每层以最大化刚度，内部不增强因其承受最小弯曲。

分层壳体

当零件必须抵抗全方向弯曲、或载荷路径不确定时，结合三明治面板与中间纤维壳体。所得设计在每个轴向提供弯曲强度。例如重型机器人的电机支架需从各侧获得稳健增强。

此例中我们选择 20 层各向同性三明治面板（每侧 10 层）实现极其稳健的零件。因顶面有螺栓孔凸台，我们将上层面板重新定位至顶面下方。

内部视图底部的条形显示各段纤维用量，归一化至最大值。此处可见简单各向同性三明治面板的两个独立纤维增强区域。选中两面板间的中心区域、分组并分配两环同心纤维填充，即创建高效多轴增强策略。

通过清晰理解各填充类型的增强机制，您可以应用简单而强大的技巧——如上述组合——提升零件性能、减少打印时间且不浪费纤维。

想了解更多？申请 Eiger 试用体验我们的软件和纤维增强选项。别忘了查看第 2 部分获取进阶纤维路由技巧！