Isotropes Faser-3D-Druck meistern: Ultra-starke Bauteile mit dem Mark Two

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Anmerkung des Autors: Dies ist der erste von zwei Beiträgen zur Nutzung von Eigers isotropem Faser-Füllmuster, um außergewöhnlich starke Bauteile mit dem Mark Two zu erstellen. In diesem Beitrag untersuchen wir, wie sich die hochfesten Lagenmuster traditioneller Verbundwerkstoffe mit einem Markforged-Drucker nachbilden lassen. Der Folgebeitrag wird sich auf die Maximierung der Festigkeit in verstärkten Bauteilen konzentrieren. Wir tauchen technisch tief ein – Schritt für Schritt – und nutzen ein prägnantes Glossar der Verbundwerkstoff-Terminologie, um Sie beim Design für faserverstärktes, hochfestes 3D-Drucken effektiv zu unterstützen.

Hintergrund zu Verbundwerkstoffen

Markforgeds Continuous-Strand-Verbunddrucker ermöglichen Kunden die Fertigung industrietauglicher Bauteile, die mit Kohlenstofffasern verstärkt sind und Eigenschaften aufweisen, die mit quasi-isotropen Verbundlaminaten vergleichbar sind. Quasi-isotrope 3D-gedruckte Bauteile zeigen ein konsistentes Verhalten in zwei Achsen, mit einer einzelnen Variationsrichtung – ideal für das Design von Bauteilen, die bestimmten Belastungsbedingungen widerstehen müssen. Durch Anpassung der Faserorientierung in der Eiger-Slicing-Software können Designer die Festigkeit gezielt auf Zielanwendungen abstimmen.

Hochfeste isotrope Materialien vereinfachen das Engineering-Design: Wenn sich ein Material in alle Richtungen identisch verhält, bestimmt allein die Geometrie, ob es den Festigkeitsanforderungen genügt. Wenn die Eigenschaften achsenabhängig variieren – wie beim 3D-Druck – ist ein quasi-isotropes Material die nächstbeste Wahl. Es erfordert im Vergleich zu einem voll anisotropen Material minimalen Designaufwand, da nur eine Achse in der Festigkeit abweicht. Zur Klarheit bezeichnet Markforged den „Isotropen Faser“-Fülltyp einfach als „Isotrope Faser“, da alle 3D-gedruckten Bauteile inhärent unterschiedliche Z-Achsen-Eigenschaften aufweisen.

Verbundwerkstoff-Terminologie Glossar

• Isotrope Materialien – weisen in jeder Richtung einheitliche Eigenschaften auf. Viele Metalle fallen in diese Kategorie.
• Anisotropie – insgesamt richtungsabhängiges Verhalten. Das Scharnier-Beispiel demonstriert einen Verbundwerkstoff mit flexiblen und steifen Kevlar-verstärkten Bereichen.
• Orthotrope Materialien – Eigenschaften unterscheiden sich entlang drei gegenseitig orthogonaler Achsen, wie bei Holz.
• Quasi-isotrope Materialien – isotrop in zwei Achsen, aber variabel in der dritten, passend zum Verhalten von Markforged-Bauteilen, die mit Isotroper Faser verstärkt sind.
• Transversale isotrope Materialien – Isotropie in der XY-Ebene mit distintem Z-Achsen-Verhalten. Das Isotrope-Faser-Füllmuster in Kombination mit Standard-Faserwinkeln approximiert dieses Verhalten sehr genau.

Traditionelle Duroplast-Verbundwerkstoffe – die meisten Consumer-Kohlenstofffaser-Anwendungen – nutzen Dutzende bis Tausende unidirektionaler Lagen in abwechselnden Winkeln. Verbundwerkstoff-Designer beschreiben diese Wiederholungsmuster mit einem „Orientierungscode“. Jede nachfolgende Lage wird rotiert (oft um 45°), um eine mehrrichtungsige Volumenfestigkeit zu erzielen, die einer eindirektionalen Lagenfolge überlegen ist.

Beispielsweise nutzt Eigers Standard-Isotrope-Faser-Füllung den Orientierungscode [0/45/90/135], was bedeutet, dass die erste Faserschicht horizontal ausgerichtet ist, die zweite bei 45°, und die Sequenz sich wiederholt. Kunden können benutzerdefinierte Orientierungscodes beliebiger Länge definieren und den Lagenaufbau so an ihre Designanforderungen anpassen.

Verbesserte Fähigkeiten

Der Mark Two liefert hochfeste faserverstärkte Bauteile bei bis zu 15× kleineren Geometrien als der Mark One. Seine verbesserte Software steigert zudem die quasi-isotrope Leistung mit dem Isotropen-Faser-Füllmuster.

In Eigers Bauteilansicht spiegelt das Eingabefeld Faserwinkel den Orientierungscode wider. Die Eingabe eines Codes wie [0/45/90/135] erzeugt ein transversal-isotropes Bauteil, wenn jede Lage Isotrope Faser verwendet. Einfach kommagetrennte Winkel in das Feld eingeben.

Der neue Faser-Routing-Algorithmus ermöglicht dem Mark Two, Isotrope Faser sowohl mit Kohlenstofffaser-Filament als auch mit dem neuen High Strength, High Temperature (HSHT) Fiberglas-Filament zu drucken – Fähigkeiten, die dem Mark One fehlten. Wenn Sie eine Lage mit Isotroper Faser für den Mark Two slicen, mischt der Algorithmus einen hybriden Füllstoff: konzentrische Ringe außen und isotrope Füllung innen. Dies ergibt eine überlegene Oberflächenqualität bei Erhaltung hoher interner Festigkeit und produziert die stärksten Bauteile, die mit Kohlenstofffaser-3D-Druck erreichbar sind.

Feinjustierte Verstärkungssteuerung

Während die externe Ansicht schnelle Verstärkung bietet, ermöglicht die 3D-interne Ansicht granulare Kontrolle über Orientierungscodes von Lagengruppen. Beginnen Sie, indem Sie ein Bauteil aus Ihrer Eiger-Bibliothek auswählen und die interne Ansicht öffnen.

In der internen Ansicht klicken Sie auf eine Faserschicht-Gruppe in der Langleiste, um sie zu bearbeiten. Um eine neue Gruppe zu erstellen, ziehen Sie vom Start- oder Endpunkt über die gewünschten Lagen und klicken dann auf Änderungen anwenden zur Bestätigung. Ändern Sie die Gruppengröße, indem Sie die dreieckigen Begrenzungsmarker verschieben.

Wenn eine Gruppe Isotrope Faser verwendet, erscheint das Feld Faserwinkel im oberen rechten Layer-Steuerkasten. Im Gegensatz zur globalen Einstellung in der Bauteilansicht ermöglicht dies die Anpassung des Orientierungscodes für die ausgewählte Gruppe allein, was präzise Kontrolle über die Faserplatzierung basierend auf der Bauteilgeometrie gibt.

Eigers Oberfläche macht es einfach, Faserverstärkung über mehrere Lagen schnell und präzise zu konfigurieren.

Lesen Sie Teil 2 dieser Serie hier – wir gehen die besten Strategien für die Positionierung von Faserverstärkung durch, um Festigkeit und Materialeffizienz zu maximieren.

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