MMF #3：纤维增强的活铰链足够坚固

MarkForged Mechanical Features [MMF] 是一系列博客文章，详细介绍了使用 MarkForged 打印机为复合材料增强型 3D 打印设计常见传统工程部件和机械特征的最佳实践。

在 FFF（熔融长丝制造）3D 打印机中，垂直部分强度较差很常见，尤其是在加载张力时。在这些 3D 打印技术中，沿垂直轴的结合比构成材料的强度要弱，因为在每个部分都有数百层沿垂直轴相互粘合，因此每层之间的连接表现得像接缝或加载时开裂。一层的面内强度高于层间粘合力，因为每一层中的塑料都是作为连续挤出物铺设的，并表现出零件材料本身的强度特性。在 Mark Two 上，这种强度（或各向异性）的方向差异也发生在我们的连续长丝制造 (CFF) 工艺中——我们使用的所有复合纤维都具有令人印象深刻的拉伸强度，但因为它们是沿着平行于纤维的平面铺设的构建板，该强度不会直接转化为垂直轴。 3D 打印零件的正确设计涉及定制组件的几何形状，使其主要加载在水平面上，由 Markforged 打印机创建的零件也不例外。然而，通过一些巧妙的设计技巧，您可以解决这个问题，并在 Mark Two 上创建具有更多各向同性属性的工业强度 3D 打印部件。

如果您以前接触过我们的材料，您可能已经注意到我们的尼龙实际上本身就非常灵活。这允许设计活动铰链或可形成接头或铰链的组件的柔性部分，而无需任何组装。在此处了解有关设计活动铰链和弯曲元件的更多信息。

虽然 Markforged 打印机上的纤维增强材料可以使尼龙变硬，但您可以使用 Kevlar® 来创建纤维增强活动铰链在这些折叠 3D 打印结构中，尼龙提供了灵活性，而纤维提供了连接强度。通过一点点纤维增强折纸，您可以设计出具有最少支撑材料且在各个方向上都坚固的骨架部件。举个例子：

如图所示，像这样的零件需要花费大量的时间和支撑材料才能打印出来，而且沿垂直轴会非常薄弱，所以我设计成这样打印：

看看艾格峰的纤维布局，你会在这张照片中看到只有一层同心图案的 Kevlar。我选择使用 Kevlar 是因为虽然碳纤维和玻璃纤维更坚固，但 Kevlar 是我们提供的材料中最灵活的，即使在以锐角弯曲时也能保持大部分拉伸强度。碳纤维和玻璃纤维要硬得多，并且会在 Kevlar 可以轻松处理的弯曲半径处断裂。单层 Kevlar 为这个球提供了足够的强度，可以承受几十磅的重量，但也有足够的灵活性让关节可以很好地折叠。

在设计了多面体之后，我加大了赌注，看看我是否可以 3D 打印出足够坚固以支撑我体重的可折叠东西。我决定保持简单，并在 Autodesk Fusion 360 中设计了一个可折叠的 Kevlar 立方体。我需要一种将立方体的面固定在一起的方法，以及将不直接相邻的面连接在一起的接头。我首先对立方体的四个面进行建模，每个面都作为一个单独的组件，这样我就可以在 CAD 环境中进行操作来模拟我想要的关节折叠行为。为了确保每个面之间的连接，我设计了一个卡扣接头，这样当您将每个面折叠成正确的方向时，面就会卡入到位，卡扣可以防止立方体展开或变形。

我还在边缘添加了一个小的榫眼接头，一旦最左边的面与最右边的面相遇，它们就会最终连接起来。

然后我决定用盒子的剩余两侧尝试一些有趣的东西——在每个开放的剩余边缘上，我设计了每一侧的一部分。每个部分都有一个扭曲配合的标签和一个用于相邻部分上相应标签的切口。一旦盒子被折叠起来，这些都可以被扣在一起形成剩下的两侧。在下图中，我将其中一个部分设为透明以显示我添加的倒角以创建燕尾形接头，该接头取决于要扭曲到位的材料的柔韧性。

一旦每个面的几何形状都固定在石头上，我就在 CAD 中“展开”了立方体，这样所有的主体都按照我想要打印的方向平放。您会在下图中注意到每个组件沿着它们的边缘相遇——它们还没有连接起来。在这一点上，我仍然需要通过添加创建活动铰链所需的层来将其组合成一个单一的、统一的部分。

为此，我捕获了每个组件底面的轮廓，并将它们挤出 0.875 毫米，然后将所有单独的主体合并为一个。这为活动铰链提供了厚度：0.875 毫米的厚度为单层 Kevlar 增加了足够的材料，以适应内部并创建纤维增强活动铰链。请注意，现在单独组件相遇的每条边现在都有厚度了。

这是已布置并准备打印的部件的完整视图：

在 Eiger 中，我在第一个 Kevlar 层上布置了同心纤维环，以创建和加强接头。为了加强零件的其余部分，我在第一层凯夫拉尔层上方的每个面上创建了夹心板。正如我们在较早的帖子中所解释的那样，夹芯板是复合材料的基础，因为它们具有高强度和低重量。夹心板加强了立方体的每个面，使它们变得坚固和坚硬的 3D 打印组件——请记住，每个面只有大约 3 毫米厚。我还能够将 Kevlar 装入卡扣接头以加强它们的小特征，我们在上一篇文章中已经讨论过。下面的动图显示了前几层，包括凯夫拉尔增强活动铰链层（第5层）和夹芯板的底层（第6-8层）。

打印完成后，我将所有东西折合在一起并在侧面板接头处扭动，然后制作了一个带有一些 Kevlar 增强材料的 3D 打印可折叠立方体！

立方体的每一侧在拉伸和弯曲方面都提供了实质性的加强，使得整个立方体很难压缩，并且沿着三个主轴等距排列。我能够将我的整个体重（约 130 磅）都放在上面，甚至没有任何变形的迹象。虽然我是一个相当小的人，所以我做了一个更严格的测试。我没有得到很好的读数，但我估计它在失败之前保持了大约 300-400 磅。这是发生的事情：

所以在几百磅之后，最令人惊讶的是这部分实际上并没有断裂，所有的关节都裂开了，整个立方体变平了，所以稍微拉直它就可以恢复到原来的形状。因此，通过使用纤维增强活动铰链创建可折叠结构，您可以在各个方向制作一些非常坚固的 3D 打印部件。

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