จะเป็นอย่างไรถ้าเราบอกคุณว่าในบางกรณี คุณสามารถสร้างชิ้นส่วนให้แข็งแกร่งขึ้นได้โดยการพิมพ์เป็นหลาย ๆ ชิ้นแยกกัน?

ฉันและเพื่อนร่วมงาน Markforged สองสามคนเพิ่งตีพิมพ์บทความวิจัยใน Rapid Prototyping Journal ซึ่งเราได้ทดสอบว่าชิ้นส่วนร่วมที่ผลิตแบบเติมเนื้อนั้นทำงานควบคู่กับกระบวนการ Continuous Fiber Reinforcement (CFR) ของเราได้อย่างไร

ด้วยตัวมันเอง CFR และชุดประกอบร่วมนำไปสู่การปรับปรุงความแข็งแกร่งอย่างมากเมื่อเทียบกับชิ้นส่วนที่เทียบเท่ากัน เมื่อรวมกันแล้ว จะทำให้ชิ้นส่วนต่าง ๆ แข็งแกร่งยิ่งขึ้น และในบางกรณีก็สามารถรองรับน้ำหนักบรรทุกสูงสุดของชิ้นส่วน Onyx ที่เทียบเท่ากันได้ถึง 6.4 เท่า โดยไม่ต้องใช้ CFR หรือการประกอบชิ้นส่วนร่วมเชิงกลยุทธ์

สนใจเรียนรู้วิธีเพิ่มความแข็งแกร่งของชิ้นส่วนด้วยเทคนิคเหล่านี้หรือไม่ สิ่งนี้อาจไม่จำเป็นเสมอไป แต่ถ้าคุณมีเคสขอบหรือต้องการความแข็งแกร่งเพิ่มเติมสำหรับงานหนัก สิ่งนี้เหมาะสำหรับคุณ

ผมจะอธิบายกระบวนการ CFR ว่าทำไมจึงใช้ co-part assemblies เพื่อปรับปรุง Z-strength จากนั้นจะพาคุณไปดูตัวอย่างในโลกแห่งความเป็นจริงของวิธีการออกแบบ, พิมพ์, รวบรวมเข้าด้วยกัน และทดสอบ co-part asssembly อย่างเหมาะสม

เครื่องพิมพ์และวัสดุมีความสำคัญ!

เมื่อพูดถึงความแข็งแกร่งของชิ้นส่วน การเลือกเครื่องพิมพ์ 3D และวัสดุที่เหมาะสมจะสร้างความแตกต่างได้ แม้ว่าเครื่องพิมพ์ 3D จำนวนมากสามารถพิมพ์พลาสติกทั่วไป เช่น PLA, ABS และไนลอน ได้ แต่ชิ้นส่วนที่ได้นั้นไม่เหมาะกับการใช้งานในอุตสาหกรรมหลายประเภทที่ต้องการคุณภาพ เช่น ความแข็งแรง, ความแข็ง, ความร้อน และความทนทานต่อสารเคมี รวมถึงความทนทาน

แม้ว่าเครื่องพิมพ์ 3D จำนวนหนึ่งสามารถพิมพ์ด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ที่แข็งแกร่งกว่าได้ แต่เครื่องพิมพ์ 3D ของ Markforged ก็สามารถปรับปรุงความแข็งแกร่งให้ดียิ่งขึ้นได้ เครื่องพิมพ์คอมโพสิต Markforged ผสมผสานวัสดุฐานที่เสริมแรงแบบไม่ต่อเนื่องด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ (Onyx) เข้ากับเส้นใยต่อเนื่องเสริมแรงที่วางผ่านชิ้นส่วน

Continuous Fiber Reinforcement (CFR)

Continuous Fiber Reinforcement (CFR) เป็นกระบวนการที่เป็นกรรมสิทธิ์ซึ่งช่วยให้เครื่องพิมพ์ Markforged สามารถผลิตชิ้นส่วนคอมโพสิตที่แข็งแกร่งได้อย่างน่าประทับใจ วัสดุเส้นใยเสริมแรง ได้แก่ Carbon Fiber, Fiberglass, HSHT (High-Strength High-Temperature) Fiberglass และ Kevlar®

CFR แข็งแกร่งแค่ไหน?

• การเพิ่ม CFR ที่เป็นกรรมสิทธิ์ช่วยให้ชิ้นส่วนคอมโพสิตสามารถรับน้ำหนักได้สูงสุด 2.5 เท่าของชิ้นส่วน Onyx ที่เทียบเท่ากันโดยไม่มี CFR Onyx ที่มี CFR มีความแข็งแรงของผลผลิตสูงถึง 800 MPa ในระนาบการพิมพ์ ซึ่งเพิ่มขึ้นเกือบ 20 เท่าจาก Nylon
• การรวม CFR เข้ากับการออกแบบความแข็งแกร่งของชิ้นส่วนร่วมช่วยให้ชิ้นส่วนรับน้ำหนักได้สูงสุด 6.4 เท่าของชิ้นส่วน Onyx ที่เทียบเท่ากันโดยไม่มี CFR

Markforged ซอฟต์แวร์ Eiger ช่วยให้คุณปรับแต่งตำแหน่งของเส้นใยต่อเนื่องภายในส่วนของคุณได้ มีกลยุทธ์ขั้นพื้นฐานและขั้นสูงในการเสริมแรงชิ้นส่วนด้วยไฟเบอร์ซึ่งคุณสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมได้ที่นี่

ทำไมต้อง co-part assembly?

ข้อได้เปรียบอย่างมากของการพิมพ์ 3D คือความสามารถในการออกแบบและพิมพ์ชิ้นส่วนของคุณเป็นหน่วยเดียว แล้วทำไมคุณถึงอยากเจอปัญหาในการแบ่งชิ้นส่วนของคุณออกเป็นส่วนประกอบต่าง ๆ พิมพ์งานหลาย ๆ งาน และประกอบเป็นชิ้นสุดท้าย?

คำตอบคือ anisotropy ด้วยการพิมพ์การผลิตเส้นใยแบบหลอมละลาย หรือเรียกสั้น ๆ ว่า FFF ชิ้นส่วนต่าง ๆ จะถูกประดิษฐ์ขึ้นทีละชั้น ซึ่งหมายความว่าแกน X (ซ้ายไปขวา) และแกน Y (ด้านหน้าและด้านหลัง) จะมีความแข็งแกร่งมากกว่าแกน Z (ขึ้นและลง) โดยธรรมชาติ

สาเหตุหลักมาจากพันธะของวัสดุเทอร์โมพลาสติกภายในชั้นที่มีความแข็งแรงมากกว่าพันธะระหว่างแต่ละชั้นที่แตกต่างกัน แม้ว่าการวางแนวของชิ้นส่วนสามารถช่วยบรรเทาผลกระทบบางอย่างของ anisotropy ได้ แต่ชิ้นส่วนเดียวมักมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันซึ่งจำเป็นต้องมีการวางแนวที่ขัดแย้งกันจึงจะพิมพ์ได้อย่างเหมาะสม

ดังนั้น สำหรับส่วนใดก็ตามที่ตกอยู่ในสถานการณ์นี้ เราสามารถแบ่งออกเป็นสองส่วนหรือมากกว่านั้น และพิมพ์แยกกันในการวางแนวที่เหมาะสมที่สุดเพื่อลดการเกิด anisotropy ให้เหลือน้อยที่สุด ซึ่งสุดท้ายจะจบลงด้วยชิ้นส่วนที่แข็งแกร่งและทนทานมากขึ้น

ตัวอย่างการประกอบชิ้นส่วนร่วม: แผ่นยึด

นี่คือแผ่นยึดที่ออกแบบมาเพื่อยึดเสาเต็นท์กับพื้น, จานยึดกับพื้นผ่านรูสี่รู ในขณะที่เสาเต็นท์ยึดกับเจ้านายคนนี้ผ่านรูนี้ นี่เป็นกรณีทั่วไปที่ทิศทางของโหลดตั้งฉากกับระนาบที่ชิ้นส่วนนั้นติดตั้งอยู่

หากเราพิมพ์เป็นชิ้นส่วนเดียวในแนวนอน แผ่นด้านล่างจะแข็งแรง อย่างไรก็ตาม ชิ้นส่วนจะล้มเหลวในระนาบที่มีพื้นที่หน้าตัดต่ำสุดเมื่อมีการรับน้ำหนักเพียงพอ

ในขณะที่เราสามารถพลิกด้านเพื่อพิมพ์ชิ้นส่วนในแนวตั้งและให้ความแข็งแรงแก่ตัวควบคุมที่อยู่ตรงกลางมากขึ้น สิ่งนี้จะทำให้เพลตอ่อนลงโดยการงอแกนด้านใดด้านหนึ่งขนานกับระนาบของเลเยอร์ที่พิมพ์ นอกจากนี้ยังจะเพิ่มเวลาการพิมพ์และการใช้วัสดุเพิ่มเติมจากฝ่ายสนับสนุนอีกด้วย

ด้วยการแบ่งแผ่นยึดออกเป็นสองส่วนที่แตกต่างกันและพิมพ์ในการวางแนวที่เหมาะสมที่สุด เราช่วยให้แผ่นยึดเหล่านี้สามารถรับน้ำหนักได้มากขึ้นเมื่อประกอบเข้าด้วยกัน

คำแนะนำในการแก้ไข CAD

ที่นี่เรามีแผ่นยึดของเราเปิดอยู่ใน Solidworks เราไม่ต้องการแก้ไขรูปทรงโดยรวม การปรับเปลี่ยนเพียงอย่างเดียวที่เราต้องการทำคือการแบ่งแผ่นออกเป็นสองส่วนที่แตกต่างกัน

ขั้นแรก เราจะต้องพิจารณาว่า 1.) เราจะแยกส่วนนี้อย่างไร และ 2.) วิธีที่ดีที่สุดในการถ่ายโอนโหลดระหว่างส่วนต่าง ๆ

คำแนะนำทีละขั้นตอน Solidworks เริ่มต้นที่ 1:52 ของวิดีโอด้านล่าง:

โดยทั่วไปแล้ว การวางแนวที่เหมาะสมที่สุดคือการวางแนวการโหลดหลักผ่านคุณสมบัติที่สำคัญขนานกับเลเยอร์ที่พิมพ์ วิธีนี้จะช่วยลดการโหลดในชั้นระหว่างชั้นหรือทิศทาง Z ที่พิมพ์ออกมา โดยที่ความแข็งแรงจะต่ำที่สุด

เมื่อออกแบบชิ้นส่วนร่วม คุณยังต้องแลกระหว่างเวลาในการพิมพ์, รองรับการใช้วัสดุ และปัจจัยอื่น ๆ อีกด้วย กลยุทธ์ที่ดีที่สุดที่ฉันพบคือการจัดเรียงชิ้นส่วนร่วมโดยพยายามดึงส่วนหนึ่งผ่านอีกส่วนหนึ่ง

เมื่อแยกชิ้นส่วนแล้ว เราก็พร้อมที่จะนำเข้าไฟล์ไปยังซอฟต์แวร์การแบ่งส่วนและเริ่มพิมพ์

การพิมพ์และการประกอบชิ้นส่วนร่วม

เมื่อพิมพ์ชิ้นส่วนแล้ว เราจะต้องแยกส่วนรองรับออกจากชิ้นส่วนและนำเศษใด ๆ ออก เมื่อเสร็จแล้วเราก็พร้อมที่จะประกอบ คุณสามารถประกอบชิ้นส่วนเข้าด้วยกันได้สองวิธี

• คุณสามารถใช้อาร์เบอร์เพรสได้โดยการกดประกอบชิ้นส่วนเข้าด้วยกัน
• หรือคุณสามารถใช้กาวเพื่อยึดเข้าด้วยกัน

สิ่งหนึ่งที่ควรทราบเกี่ยวกับกาว คุณจะต้องการวิจัยว่ากาวชนิดใดที่เหมาะกับวัสดุของคุณมากที่สุด หากคุณใช้เครื่องพิมพ์ Markforged กับ Onyx เราขอแนะนำให้ใช้:

• Loctite 401
• Scotch-Weld DP100
• หรือ Scotch-Weld DP420

สำหรับวัสดุการพิมพ์ 3D ทั่วไปอื่น ๆ เช่น PLA, PETG และ ABS ตัวเลือกที่ดีได้แก่ cyanoacrylate adhesives, epoxies และ silicone glues

ฉันชอบใช้แท่นพิมพ์เพราะมันเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการประกอบชิ้นส่วนร่วม และฉันรู้ว่าชิ้นส่วนนี้จะโหลดไปในทิศทางเดียวเท่านั้น หากคุณคาดว่าชิ้นส่วนของคุณอาจรับน้ำหนักไปในทิศทางที่ต่างกัน กาวอาจเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด

การทดสอบแผ่นยึด

เราทดสอบชิ้นส่วนที่แตกต่างกันสามส่วน โดยทั้งหมดพิมพ์บน Markforged X7 พร้อม Continuous Fiber Reinforcement (Carbon Fiber)

• ส่วนที่ 1 ถูกพิมพ์เป็นหน่วยเดียวในแนวนอน ในรูปแบบ Onyx ผสม Carbon Fiber
• ส่วนที่ 2 ถูกพิมพ์เป็นหน่วยเดียวในแนวตั้ง ในรูปแบบ Onyx ผสม Carbon Fiber
• ส่วนที่ 3 ถูกพิมพ์เป็นสองส่วนในการวางแนวในอุดมคติ ในรูปแบบ Onyx ผสม Carbon Fiber

ตามที่คาดไว้ ชิ้นส่วนร่วมที่เสริมด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ต่อเนื่องทำงานได้ดีกว่าชิ้นส่วนเดี่ยวมาก ชิ้นส่วนร่วมสามารถรับน้ำหนักได้สูงสุด 5,747 นิวตัน หรือประมาณ 1,292 ปอนด์ นั่นคือการปรับปรุงถึง 87% เมื่อเทียบกับเพลตที่ติดตั้งที่ดีที่สุดอันดับถัดไปที่พิมพ์เป็นชิ้นส่วนเดียวด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ต่อเนื่อง

เทคนิคอื่น ๆ ในการปรับปรุงความแข็งแรงของแกน Z บนงานพิมพ์

แม้ว่าการประกอบชิ้นส่วนร่วมจะมีประสิทธิภาพในหลายกรณี แต่ก็มีเทคนิคอื่น ๆ ในการปรับปรุงความแข็งแรงของแกน Z ซึ่งอาจเหมาะกับชิ้นส่วนอื่น ๆ เช่น การเพิ่มช่องสำหรับสลักเกลียวเพื่อวิ่งทะลุชิ้นส่วน หรือการเพิ่มช่องสำหรับกุญแจเครื่องจักร

วิดีโอด้านล่างแสดงตัวอย่างการปรับปรุงความแข็งแรงของ Z ในแม่พิมพ์ดัด: