MMF #3: Industriestarke 3D-gedruckte Scharniere mit Kevlar-verstärkten Living Joints bauen

Markforged Mechanical Features (MMF) ist eine Serie von Beiträgen, die bewährte Strategien für die Herstellung konventioneller mechanischer Bauteile mit Markforgeds Composite-verstärkten 3D-Druckern destilliert.

Eine anhaltende Herausforderung bei FFF- und CFF-Technologien ist die schwächere Bindung entlang der vertikalen Achse. Lagen stapeln sich übereinander, und die Inter-Lagen-Haftung verhält sich oft wie eine Naht, was die Zugfestigkeit limitiert. Am Mark Two verlaufen Continuous Fibers parallel zur Bauplatte, was außergewöhnliche In-Plane-Festigkeit gibt, aber die vertikale Achse vergleichsweise verwundbar lässt. Der Schlüssel zur Überwindung dieser Anisotropie ist Geometrie: Designen Sie das Bauteil so, dass es den Großteil seiner Last in der horizontalen Ebene erfährt, und wenden Sie dann Design-Tricks an, die Spannung gleichmäßiger verteilen.

Markforged Nylon ist intrinsisch flexibel, was die Tür zu „Living Hinges“ öffnet – flexible Abschnitte, die als Gelenk ohne separate Hardware fungieren. Durch Verstärkung dieser Scharniere mit Faser können wir Nylons Flexibilität mit der Zugfestigkeit der Fasern kombinieren und Komponenten produzieren, die sowohl leicht als auch robust sind.

Kevlar® mit seiner einzigartigen Mischung aus hoher Zugfestigkeit und außergewöhnlicher Biegsamkeit ist ideal für diese Anwendungen. Während Kohlenstofffaser und Fiberglas höhere Steifigkeit bieten, neigen sie dazu, an den scharfen Winkeln zu brechen, die zum Falten erforderlich sind. Kevlars Flexibilität erlaubt es, Festigkeit auch bei engen Biegeradien beizubehalten.

Im untenstehenden Beispiel ist das Design optimiert, um übermäßiges Stützmaterial zu vermeiden und sicherzustellen, dass das Bauteil in alle Richtungen stark bleibt.

Der Filament-Layout in Eiger zeigt eine einzelne Lage konzentrischer Kevlar-Muster. Diese einzelne Lage reicht aus, um mehrere Dutzend Pfund zu tragen, während die Scharniere biegsam bleiben.

Um die Grenzen auszuloten, designte ich einen faltbaren Kevlar-Würfel in Autodesk Fusion 360, der das Körpergewicht des Autors tragen konnte. Der Würfel nutzt Snap-Fit-Verbindungen und Zapfen-Nut-Verzahnungen, um die Flächen nach dem Falten zu verriegeln.

Jede Fläche ist während des Designs eine separate Komponente, was präzise Kontrolle über das Faltverhalten erlaubt. Twist-Fit-Tabs und schwalbenschwanzartige Fasen an den verbleibenden Kanten ermöglichen das Verriegeln der finalen zwei Flächen.

Nach Finalisierung der Geometrie flachierte ich die Assembly in CAD, erfasste die Bodenprofile jeder Komponente und extrudierte sie um 0,875 mm. Diese Dicke schafft ein Living Hinge, das eine einzelne Kevlar-Lage aufnimmt und sowohl Flexibilität als auch Festigkeit bietet.

Das finale Drucklayout ist unten gezeigt. In Eiger verstärken konzentrische Kevlar-Ringe die erste Scharnierlage, während Sandwich-Panels auf jeder Fläche die Struktur weiter versteifen.

Nach dem Druck montierte ich den Würfel und testete seine Tragfähigkeit. Der vollständig montierte Würfel konnte ca. 130 lbs (das Körpergewicht des Autors) ohne Verformung tragen. In einem rigoroseren Test hielt der Würfel 300–400 lbs stand, bevor die Verbindungen sich lösten, woraufhin die Struktur ohne permanente Schäden wieder montiert werden konnte.

Diese Ergebnisse demonstrieren, dass faserverstärkte Living Hinges die Erstellung von 3D-gedruckten Bauteilen ermöglichen, die stark, leicht und isotrop sind. Wenn Sie diese Technik selbst ausprobieren möchten, laden Sie die STL oder .mfp Datei unten herunter. Möchten Sie die Festigkeit selbst testen? Bestellen Sie hier ein kostenloses Musterbauteil!