各向同性纤维填充：打造最强 3D 打印件——第 2 部分
更新：想了解不同填充如何强化零件及其背后科学？参加 6 月 21 日上午 11 点（EDT）网络研讨会。立即注册 作者注：这是我们关于使用 Mark Two 碳纤维、在 Eiger 中利用各向同性纤维填充设计最强零件的两部分系列的第二篇。上篇涵盖复合增强基础及各向同性图案原理。本文聚焦如何最高效应用该填充，在最小化重量和成本前提下制造最强零件。 我们已探讨 Eiger 中复合增强基础和纤维取向。现在深入增强效率——在不增加不必要质量和费用的情况下最大化强度。用 Eiger 的各向同性纤维填充增强某层会增加刚度和强度，但总是需要吗？答案取决于该层相对于零件将承受载荷的位置。 增强前，必须理解实体零件如何响应外力。考虑一个简支梁，两端支撑、可沿 x 轴自由位移，如下图所示。 施加力 F 时，梁向下弯曲。挠度大小取决于 F、梁几何和材料属性。梁弯曲横截面显示：靠近载荷一侧受压，对侧受拉。 图示展示梁厚度方向上的弯曲应力 σ。箭头长度代表应力大小，方向指示压缩（向上箭头）或拉伸（向下箭头）。中性轴——应力为零——穿过中心。这意味着最高应力出现在外表面。因此，若增强会弯曲的零件，应将高强度材料置于这些表面附近，呼应工字梁和三明治面板的设计原则。 工字梁和三明治面板旨在以最小重量实现高强刚。因弯曲应力峰值在外表面，在那里添加高强材料可最大化承载力同时保持低质量。三明治面板将载荷分散到更大区域，允许更轻核心材料并减少对集中腹板的需求。 在 Eiger 中，从零件视图页添加纤维时，默认算法创建三明治面板。一半选定的 纤维层 放在零件顶部（顶部四层实心塑料层下方），另一半放在底部（首层四层实心塑料层上方）。这对构建平面平行的对称零件效果良好，如 Olin 学院为 Snotbot 无人机打印的起落架。 照片显示算法在零件顶底各添加 10 层凯夫拉增强，形成平衡三明治面板。但零件不对称时——如我们常在展会演示的摩托车刹车手柄——默认算法无法将纤维置于最需要处。 此时算法仅在底部添加纤维，因青铜衬套的小凸起破坏对称性，导致顶表面增强不足。要创建最大三明治面板，必须重新定位顶层组，使纤维到达手柄顶表面。 Mark Two 打印强韧零件的首条准则：优先用各向同性纤维填充，在距离最远的层中采用一至两圈同心环，构建最大、最厚的三明治面板。 对刹车手柄，将顶层组下移直到纤维覆盖手柄主体顶部，如下图。 当多个潜在三明治面板区域重叠——如威斯康星大学麦迪逊分校人力车辆队 2016 设计的曲柄臂——可叠加面板。曲柄臂有多区域受益于增强：主体顶底、承受螺栓应力锥的法兰端。 先让默认算法为整个零件顶底各添加四层各向同性纤维填充。尽管两层横截面积不同，此法最大化零件抵抗骑手弯曲载荷的能力。 接着增强连接曲柄臂与曲柄的法兰。因第一步已增强法兰底部，在零件约 25 层处（法兰末端）添加一组层。这创建第二个较薄三明治面板，与大面板共享底层蒙皮，我们称之为叠加。 最后，因自行车曲柄臂承受复杂扭转载荷，在中性面附近再添加一纤维层组以抵消剪切应力（剪切应力峰值靠近中性轴）。得出包含四个不同纤维层组、形成一系列三明治面板的配置。 这些步骤产出生成可用 Eiger 实现的最强且轻量配置之一。 高强度纤维增强 3D 打印三大准则： 虽存例外，这些准则为设计稳健零件提供坚实基础。准备亲手增强零件？立即探索 Mark Two！
在 Eiger 中叠加三明治面板
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