FDM: קרן עבור עיצוב אור משקל סטריקט

Fשימוש Deposition Modeling (FDM) התפתח הרבה מעבר לחידוש מהיר של תפוקה בתהליך ייצור לגיטימי של רכיבים הנדסיים.הפנייה הליבה טמונה ביכולת שלה לייצר גיאומטריה מורכבת, בצורת אורגנית, כי המאצ'ינג או עובש קונבנציונליים לא יכול לשכפל ללא עלות משמעותית.עבור מהנדסים, האתגר הוא לא רק הדפסה חלק, אלא עיצוב חלק ממקסים את הכוח תוך כדי צמצום מסה או שימוש נכון של כלי מתכת.

תהליך החדירה של שכבת-על-ידי-שכבות, בעוד שנדמה פשוט, מציג תכונות אנזוטרופיות הדורשות חשיבה עיצובית שונה.הבנת כיצד הדבקה של התכה, דבקות בשכבות, ואינטראקציה תרמית היא הצעד הראשון לקראת ייצור חלקים שיכולים לעמוד בעומסים בעולם האמיתי. מאמר זה מספק מסגרת מפורטת לעיצוב חלקי FDM קלים אך חזקים, כיסוי חומר, גיאומטריה, אסטרטגיות, מעשי ומחקרים.

הבנת טכנולוגיית FDM והשלכות מכניות שלה

FDM בונה חלקים על ידי חימום של פשלת תרמופלסטית למצב סמי-מולטן והפיקד אותו דרך נושל על פלטפורמת בנייה. החומר מתמזג עם השכבה הקודמת כפי שהוא מגניב.תהליך זה יוצר באופן טבעי מבנה גרגר כיוון: האג"ח בין שכבות (z-axis) הם בדרך כלל חלשים יותר מאשר האג"ח בתוך שכבה (x-y).

שכבה Adhesion ו Anisotropy

הכוח של חלק FDM נשלט על ידי שני גורמים: האזור החלקה של כבישים filament ואת איכות של diffusion אינטר-שכבה. טמפרטורות נוזל גבוהות יותר לשפר את ההיתוך על ידי כך שמאפשר שרשראות פולימר כדי לסבך יותר ביסודיות על פני שכבות, אבל חום מופרז יכול לגרום השפלה חומרית.כלל הוא כי חלקים חווים כ 50-80% של X-עשרים שלהם כוח ב zion, בהתאם להגדרות חומר קריטיות, כלומר, כלומר, יש צורך שיטות לחץ על מנת להפעיל את העיצובים קריטי.

ניהול ומלחמה

חומרים בעלי דירוג הנדסי כגון פוליקרבונט (PC) ו- ניילון מציגים התכווצות משמעותיות על הקירור.זה יכול לגרום ללחץ חיוור כי פענוח חלקים דקים או שכבות דה-מחוסמות. En Closed לבנות תאים ו מיטות מחוממות להפחית את זה, אבל אפשרויות עיצוב גם משנה. משטחים גדולים, שטוחים נוטים להתכרבל; הוספת צלעות או כפיים להפחית את דף המלחמה במקביל, תוך הגדלת ללא מסה משמעותית.

בחירה חומרית ל-Power-to-Weight Performance

בחירת השבר הנכון היא ההחלטה היחידה המשפיעה ביותר בעיצוב FDM קל משקל.השולחן מתחת לווה חומרים הנדסיים משותפים ותכונות רלוונטיות שלהם, אבל המדד העיקרי הוא כוח ספציפי: כוח מחולק על ידי צפיפות.

  • (FLT:0)PLA (Polylactic Acid): נוקשות גבוהה ועלויות נמוכות, אך שופעת בהתנגדות להשפעה ירודה וסובלנות חום נמוכה (מעבר למשקפיים) מתאים לאמנים שאינם סובלים מעומס וג'יגס.
  • (FLT:0)PETG (Polyethylene Terephthalate Glycol): veFLT 1 טוב שכבת אחריות, כוח מתון, והתנגדות השפעה טובה יותר מאשר PLA. זה מגשר הפער בין קלות הדפסה וביצועים פונקציונליים עבור חלקי דוקטרון.
  • (ב) [ה]החזקות העליונה (Acrylonitrile Butadiene Styrene Styrene): 003:0 [החזקות העליונה] והתנגדות חום (מעבר למשקפיים –105 מעלות צלזיוס) אך נוטה לעמוד מלחמה.
  • (FLT:0)Polycarbonate (PC): FLT:1 כוח השפעה חריג והתנגדות חום (מעבר זכוכית - 147 ° C) טמפרטורה עיבוד גבוהה (260-300 מעלות צלזיוס) אידיאלי עבור רכיבים מבניים שיש לשרוד זעזוע תרמי או מכני.
  • (FLT:0) /PA12 (Nylon): irph:1 יחס כוח-על-מנת-משקל מעולה, התנגדות עייפות וחיכוך נמוך.זה Hygroscopic ויש מיובש לפני הדפסה.
  • (FLT:0)Carbonfi Reinforced Composites:03FLT) 1 סיבי פחמן קצרים או רצופים משובצים ב ניילון או PETG matrix להגדיל באופן דרמטי את הנוקשות ולהפחית את המצטפות.

עבור עיצובים קלים, PA6 עם חיזוק סיבים פחמן הוא מועמד חזק: זה מציע מודולים Tenile מעל 8 GPa בצפיפות ליד 1.2 g / ס"מ3, מניב נוקשות מסוימת דומה סגסוגת אלומיניום מסוימים. כאשר משקל הוא המגביל העיקרי, filaments מורכבים לעתים קרובות לייעל את עמיתיהם un מלא.

עקרונות עיצוב עבור חלקים קלים במשקל

תכנון עבור FDM דורש שילוב של מגבלות ייצור עם אופטימיזציה מבנית מההתחלה.העקרונות הבאים מספקים גישה שיטתית.

אופטימיזציה גיאומטריה וטופולוגיה

ייצור תת-קרקעי מסורתי מעניש מורכבות, אבל FDM מתגמלת אותה.תוכנת אופטימיזציה של טופולוגיה יכולה ליצור מבנים אורגניים, השלד המכניסים חומר רק כאשר הלחץ דורש את זה.עיצובים אלה לעתים קרובות דומים לדפוסי עצם טרבקיים. ⁇ מותאם אישית עשויה להפחית את המסה ב-40-60% בהשוואה לבלוק מוצק תוך שמירה על אותה קשיחות.

קיר ת'יקנס ואסטרטגיה Shell

הקליפ החיצוני של חלק FDM נושא את הרוב של עומסי ה Bending ו- Tenile.להגדיל את מספר קירות perimeter הוא אחד הדרכים היעילות ביותר להגביר את הכוח מבלי להוסיף משקל משמעותי.עבור קוטר טיפוסי של 0.4 מ"מ, שלושה קירות perimeter ליצור מעטפת של 1.2 מ"מ.Doubling את עובי בין שני לארבע קירות יכול להגדיל את העוצמה על ידי יותר מ 50% תוך הוספת רסן קליטה קלה לפחות, או לחץ על גבי משטחים.

מילוי ועומס ריכוזיות

פינות פנימיות של שארפ יוצרות עלייה בלחץ שיכול ליזום סדקים, במיוחד בחומרים מתפתלים כמו חלקי PLA.FDM פגיעים במיוחד משום שגבולות שכבתיים פועלים כנתיבי פגם לפני-השלבים.הוספת מילויים עם רדיוס של לפחות 2-3 פעמים השכבה מפיצה מתח על פני שטח גדול יותר. a היטב- a היטב-place-place-A יכול להכפיל את החיים של חלק טעון למחצה.

אסטרטגיות מתקדמות ל-Mass Reduction

Infill הוא הליטקטיבית הפנימית הממלאת את הנפח בין הקליפות החיצוניות.הוא מציע את המנוף הגדול ביותר להפחתת משקל תוך שמירה על יכולת מבנית.

תבניות איפיל ותפקידיהם המכניים

  • (FLT:0Gyroid:FLT:1) A Triply מחזורי מינימלי משטח המייצר מבנה איזוטרופי, מתמשך.It מתנגד לטעון מכיוונים מרובים ללא אנזוטרופיה גדולה.בין דפוסים נפוצים, gyroid מציע את יחס הכוח הטוב ביותר למשקל עבור תרחישים טעינה רב-כימית.
  • (FLT:0 Honeycombmia: FLT:1 מעולה עבור דחיסה לא מימית לאורך הכיוון הבנייה.תאים hexagonal לספק נוקשות גבוהה במטוס אבל הם חלשים מתחת למגרש של עשבים מתאימים לחלקים עם כיוון עומס ראשוני מוגדר היטב.
  • (FLT:0)Triangular (Tri-Hex):שלבים 1:1 משלבים אלמנטים משולשים ו hexagonal לביצועים מאוזנים.הוא מציע התנגדות מהירה יותר מאשר דבש טהור, אך משתמש מעט יותר חומר.
  • (FLT:0Grid and Recti ליניארי: FIRLT:1) דפוסים פשוטים הדפסה במהירות אך מציגים אנזוטרופיה משמעותית.הם מקובלים על אבטיפוס נמוך או חלקים אשר יהיו מעובדים עם חדירה epoxy.

עבור חלקים מבניים קלים, gyroid ב 20-30% צפיפות הוא נקודת התחלה אמינה.

המונחים: Infill Density

פרוסות מודרניות לתמוך מאמתנים המאפשרים דחיות שונות באזורים שונים של חלק.טכניקה זו, לפעמים נקראה Infill כיתהd, מקומות צפופים (3-60%) באזורים בלחץ גבוה כגון חורים, נושאים מושבים, או נקודות מבוא עומס, תוך שימוש ב-Savice infill (10-15%) בנפחים לא קריטיים.

מבנה דק וספאר

עבור חלקים שבהם buckling הוא מצב הכישלון העיקרי ולא תשואה חומרית, גישה מונוקוק דקת מאופק יכול לפורץ מעטפת עבה עם infill. Aפגז חלול עם צלעות פנימיות ממוקמות אסטרטגית יכול להשיג נוקשות גבוהה עם מסה נמוכה מאוד.טכניקה זו נפוצה ברחפנים וכלי נשק רובוטיים.

אוריינטציה ו Build Layout Optimization

אוריינטציה חלקית במהלך הדפסה קובע אילו משטחים נתמכות, כיצד שכבות תואמות עם עומסים, וכמות חומר התמיכה הקרבי הנדרש.

שכבת אלינג עם נתיבי טעינה ראשוניים

Because interlayer adhesion is the weakest link, the most critical tensile or bending stresses should be oriented in the x-y plane. For a cantilever beam, printing it on its side so that the load bends the beam across layers (not between them) can triple the breaking force. A simple heuristic: if a part will experience bending, print it so that the neutral axis of bending is perpendicular to the build direction.

צמצום חומרי התמיכה

מבנים תומכים מוסיפים פסולת חומרית, להגדיל את זמן ההדפסה, ולהשאיר חפצים משטח שיכולים ליזום סדקים.עיצובים צריך למזער את העודף של מעל 45 מעלות מ אנכי.כאשר תמיכה הם בלתי נמנעים, באמצעות חומרים כהלוליים (כגון PVA או HIPS) מאפשר הסרת נקייה ללא עיבוד מכני. חלופה היא עיצוב תמיכה עצמית גיאוגרפית: 45 מעלות צלזיוס, צינורות , 000 מפוצצים בצורת מדמיע, חורים בצורת מדמיע וניתן לפטור לחלוטין.

טכניקות לשיפור כוח

מספר שיטות עיבוד לאחר-מעבדות יכולות לשפר עוד יותר את התכונות המכניות של חלקי FDM מבלי להוסיף משקל משמעותי.

אנליינג

הפחתת חלקים מודפסים מתחת לטמפרטורת המעבר זכוכית שלהם מאפשר שרשראות פולימרים להירגע ולחדש, להפחית את הלחץ הפנימי ולהגדיל את כוח האג"ח בין-שכבת. עבור PLA, annealing ב 60-80 ° C במשך 30-60 דקות יכול להגדיל את כוח העפיל על ידי 10-20%.עבור ניילון, annealing ב 120-140 מעלות צלזיוס משפר את הקריסטליניות וההתנגדות.

« מטריקס Infiltration

מברשת או ואקום תוך שימוש בפסיביות נמוכה של epoxy לתוך משטח ⁇ של חלק FDM ממלא פערים מיקרוסקופיים בין שכבות וכבישים filament. זה יכול להגדיל את העוצמה של עשרות עד 30-50% ולשפר באופן דרמטי את עמידות המים.העלייה במשקל היא מינימלית (בדרך כלל פחות מ-5% לחלק חסר פי 20 אחוזים) כי ה-epoxy רק חודר את המעט החיצוני רק את המילימטרים אלא אם כן הוא חלק מסולק.

החיים המשתנים והשומן

רכסי שכבתיים פועלים כמצמי הלחץ. Smoothing the פני השטח באמצעות חול, vapor ללטש (עבור ABS עם אצטון), או ציפוי epoxy דק מפחית את ההשפעות המיקרו-לאכות הללו ומרחיב את חיי העייפות. וחלקי ABS שקוממו על ידי Vapor הוכחו להשיג מגבלות סיבולת עד 40% גבוה יותר מאשר עמיתים מודפסים.

יישומים אמיתיים ומקריות

הדוגמאות הבאות ממחישות כיצד יישום שיטתי של עקרונות אלה מניב חלקים פונקציונליים, קלים FDM.

תחנת החלל: UAV Camera Mount

צמח מצלמה מותאם אישית עבור רכב אווירי קטן לא מאויש (UAV) דרש מסה מתחת 15 גרם תוך תמיכה של 120 גרם שכר מתחת 5 G האצה. עיצוב PLA המוצק הראשוני שקל 22 גרם. על ידי מעבר סיבים PA6 פחמן מרוכבים, החל אופטימיזציה טופולוגית להסיר חומר מאזורי לחץ נמוך, ושימוש gyr inpoid inll בדחיסות 15%, האחרון במשקל 12 גרם ועבר ל-xix2, 000, 000 ליטרים ממונעים, 000.

כלי רכב: Intake dut Connector

מכשיר צריכת אוויר המיועד לרכב מרוץ צריך לעמוד בטמפרטורות מתחת ל 110 מעלות צלזיוס תוך הוספת מסה מינימלית. Polycarbonate נבחרה עבור עמידות החום שלה.העיצוב השתמש קליפת מונוקוק דקת (1.6 מ"מ קיר) עם צלעות diagonal פנימי חלל 20 מ"מ בנפרד.לא infill שימש כי עובי לבד סיפק מספיק חזק.

תגית: Custom Wrist Splint

פרק כף יד ספציפית לחולה דרש רמה גבוהה של אוורור ומסה נמוכה לנוחות.העיצוב השתמש ב-Vronoi lattice שנוצר מ- 3D סריקות של הזרוע של המטופל. הדפסה ב PETG עם שלושה קירות perimeter ולא infill, ההיגיינה שקלה 35 גרם וספק מספיק קשיחות כדי לחדור את היד במהלך הריפוי.

בדיקות ואימות גישות

תכנון חלקי משקל ללא אימות הוא מסוכן.זרימת עבודה מעשית כוללת סימולציה FEA, בדיקות קופונים, וטעינה הוכחה.

  • (FLT:0)FEA Simulationmia: FLT:1 Run סימולציות מבניות סטטיות באמצעות תכונות חומריות אורתאוטרופיות המשקפות FDM anisotropy.חבילות סימולציה רבות כוללות כעת מודלים פשוטים של הדפסה תלת מימדית.
  • (FLT:0) בדיקת סקריפי: 1FLT 1 הדפסה דגימות מבחן Tenile (ASTM D638 Type I או V) כדי למדוד את המודולולים בפועל ואת הכוח בכיוונים x-y ו- z.
  • (ב) ,0) בדיקת טעינה: 1FLT 1 החל 1.5x ל 2x את העומס הצפוי של השירות לחלק מקרי.

הטמעת השלבים הללו במחזור העיצוב מונעת כשלי שדה ונבנה אמון ב-FDM עבור יישומי ייצור.

מסקנה

FDM הוא פלטפורמה המסוגלת לייצור חלקי הנדסה שהם גם אור וחזק, אבל התוצאה תלויה בבחירת אפשרויות עיצוב מכוונים. על ידי בחירת החומר המתאים, אופטימיזציה גיאומטריה באמצעות טופולוגיה ואסטרטגיות איפיל, או הפעלת חלקים כדי להתאים שכבות עם עומסים, וליישם חלקים לאחר עיבוד סלקטיבי יותר, מהנדסים יכולים להשיג רכיבים כי האתגר של חלופות המיוצרות באופן קונבנציונלי.

(ה) [ה]:0] למד יותר על טכנולוגיית FDM ואפשרויות חומריות ההרחבה של סטרטסיים (FLT: 1) עבור נתונים מכניים מפורטים על סיבים פחמן מחזקים את ה-Filaments, לבחון את ה-FLT:2Markforged materialהשוואה GuideFLT 3: אלה המעוניינים בזרימות עבודה טופולוגיות יכול להתייחס למשאבים להנדסה של F:4Altair:2Marker:5 אסטרטגיות ליישום מעשי.