# XYZ 방향이 FDM 인장 강도를 제어하는 이유
FDM 부품은 이방성입니다. 즉, 모든 방향에서 동일한 인장 강도를 가지지 않습니다. X 또는 Y 방향으로 하중이 가해진 인쇄된 막대는 일반적으로 증착된 로드와 외곽 쉘을 따라 주로 당겨집니다. 동일한 재료가 Z 방향으로 하중을 받으면 레이어 결합이 분리됩니다. 이 차이는 작은 보정이 아닙니다. 많은 실제 인쇄물에서, 특히 레이어 접착, 냉각, 습기 또는 낮은 노즐 온도가 최적화되지 않은 경우 Z축 인장 강도가 XY 값의 절반 미만일 수 있습니다.이 추정기는 하중 축이 선언될 때까지 계산을 거부합니다. 선언되지 않은 방향은 오해의 소지가 있는 구조적 수치를 생성하기 때문입니다. 필라멘트 데이터 시트의 50 MPa 재료 값은 일반적으로 성형 또는 신중하게 인쇄된 시험편에서 측정된 것이지, 가능한 모든 인쇄 방향에서 측정된 것이 아닙니다. 구조용 FDM 설계는 구체적인 질문에 답해야 합니다. 적용된 인장 하중이 증착된 레이어에 평행한가요, 아니면 레이어 스택에 수직인가요?계산기는 또한 단면 너비, 단면 높이 및 압출 선폭을 요구하여 응력 추정치가 하중 추정치가 될 수 있도록 합니다. MPa 단위의 인장 강도는 응력입니다. 여기에 유효 단면적(제곱밀리미터)을 곱하면 뉴턴 단위의 힘이 얻어집니다. 이것은 "이 프로필은 약 28 MPa입니다"라고 말하는 것과 "이 20 x 10 mm 단면은 선택된 방향에서 최종 인장 파손 전 약 520 kgf로 추정됩니다"라고 말하는 것의 차이입니다. X/Y 하중이 압출 경로 및 레이어 평면에 거의 평행
Z 하중이 레이어 간 결합을 통해 당겨짐
40-70% XY 인쇄물 대비 일반적인 Z 강도 손실
모든 인쇄 방향에 단일 재료 강도를 사용하지 마십시오
하중 경로가 레이어 라인을 가로지르는 경우, 부품을 레이어 간 결합 문제로 취급해야 합니다. XYZ 방향을 무시하는 것은 브래킷, 후크, 클램프, 탭, 힌지, 고정구 및 인쇄된 교체 부품을 과대평가하는 가장 빠른 방법 중 하나입니다.
# 인쇄 부품의 평행 vs 수직 하중
평행 하중은 인쇄된 레이어 평면 내에서 작용하는 인장 하중입니다. 일반적인 프린터 좌표계에서 베드에 평평하게 인쇄된 부품의 경우 X 또는 Y 방향을 의미합니다. 하중은 외곽 벽, 래스터 로드 및 채움 경로에 의해 분산됩니다. 수직 하중은 Z 방향을 따른 인장 하중으로, 각 레이어는 열 결합 및 계면에서의 분자 확산을 통해 다음 레이어로 힘을 전달해야 합니다.이 구분이 중요한 이유는 외곽선이 X/Y 인장에서 매우 효과적이지만 레이어 간 Z 이음새를 마법처럼 제거할 수 없기 때문입니다. 더 많은 외곽선은 단면적을 늘리고 응력 집중을 줄여 Z 하중 부품에 도움이 될 수 있지만, 파손 모드는 종종 박리로 남습니다. 중요한 부품의 경우 더 많은 서포트 재료가 필요하더라도 최대 인장 하중이 레이어를 직접 가로질러 당겨지지 않도록 모델을 회전시키십시오.| 하중 케이스 | 레이어 관계 | 예상 파손 거동 | 설계 대응 |
|---|---|---|---|
| 평면 인쇄물의 X축 당김 | 평행 | 로드 신장, 외곽 파단, 채움 전단 | 더 많은 벽을 사용하고 로드를 하중에 정렬 |
| 평면 인쇄물의 Y축 당김 | 평행 | X와 유사, 경로 배치에 따라 약간 낮을 수 있음 | 벽 연속성 및 이음새 배치 확인 |
| 높이 방향 Z축 당김 | 수직 | 레이어 분리 및 박리 | 부품 방향 변경 또는 기계적 보강 추가 |
| 실제 각도 당김 | 혼합 | 로드 파단과 레이어 박리의 조합 | 하중을 구성요소로 분해하고 Z 구성요소 보호 |
부품에 힘 화살표를 그리는 것부터 시작하십시오
채움율을 변경하기 전에 예상 인장력 방향을 인쇄 방향 위에 그려보십시오. 화살표가 레이어 스택을 통과하면 Z축 추정치가 관련 경고 숫자입니다.# 재료 선택: PLA, PETG, ABS, PC 및 나일론
재료는 기본 인장 강도와 레이어가 결합되는 방식 모두에 영향을 미칩니다. PLA는 종종 높은 강성과 강력한 XY 인장 값을 보여주지만, 취성 및 열에 민감할 수 있습니다. PETG는 강성이 낮지만 연성이 우수하고 종종 레이어 접착이 관대합니다. ABS는 냉각 응력이 레이어 간 접촉을 약화시킬 수 있으므로 챔버 온도에 크게 의존합니다. 폴리카보네이트는 충분히 뜨겁게 인쇄되고 건조하게 유지될 때만 강할 수 있습니다. 나일론은 인성과 내피로성이 우수하지만, 습기, 부드러움 및 인쇄 온도에 따라 결과가 크게 달라집니다.PLA
높은 강성과 우수한 XY 강도, 열 노출이 적은 견고한 고정구에 유용.
- 강한 로드
- 취성 과부하
- 고온 환경 여유 부족
PETG
유용한 연성과 실용적인 레이어 접착을 갖춘 중간 정도의 강도.
- PLA보다 덜 취성
- 우수한 작업장 고정구
- 지속 하중에서 크리프 가능
ABS, PC, 나일론
안정적인 Z 강도를 위해 인클로저, 온도 제어 및 건조 필라멘트가 필요한 엔지니어링 중심 선택.
- 더 나은 내열 옵션
- 공정 민감성 높음
- 습기 및 뒤틀림 중요
방향 변경 대신 더 인성 있는 재료 선택
장점
- 더 인성 있는 폴리머는 충격을 흡수하고 취성 파단을 줄일 수 있습니다.
- PC와 나일론은 내열 및 내피로 거동을 개선할 수 있습니다.
- PETG는 많은 브래킷에서 PLA보다 더 안전한 연성 선택이 될 수 있습니다.
단점
- 하중이 레이어에 수직인 경우 여전히 박리될 수 있습니다.
- 건조 불량 또는 낮은 노즐 온도가 이점을 상쇄할 수 있습니다.
- 탄성 계수가 낮고 지속적인 응력 하에서 크리프할 수 있습니다.
재료 데이터 시트는 인쇄 부품의 보편적인 값이 아닙니다
필라멘트 강도 수치는 성형 시험편, 이상적인 테스트 바 또는 공급업체 특정 인쇄 설정에서 비롯될 수 있습니다. 이를 재료 컨텍스트로 사용한 다음 채움, 쉘, 패턴 및 특히 Z축 하중에 대한 추정치를 낮추십시오.
인쇄 품질은 주로 레이어 무결성을 변경합니다
드래프트, 표준 및 고강도 옵션은 X/Y보다 Z축에서 의도적으로 더 강하게 작용합니다. 더 뜨겁고, 느리며, 더 잘 건조된 인쇄는 레이어 결합을 개선할 수 있는 반면, 빠르고 차가운 드래프트 프로필은 XY 로드를 허용 가능하게 유지할 수 있지만 부품을 박리에 취약하게 만들 수 있습니다.# 채움율이 구조적 한계를 어떻게 바꾸는가
채움율은 부품 내부의 하중 지지 면적을 증가시키지만, 효과는 완벽하게 선형적이지 않습니다. 10%에서 30%로 증가하면 부품이 응력을 전달하는 더 많은 내부 경로를 얻기 때문에 종종 큰 개선이 있습니다. 70%에서 100%로 증가하면 특히 외부 외곽선이 이미 인장 하중의 대부분을 지지하고 있을 때 동일한 비례 이득 없이 인쇄 시간과 질량이 증가할 수 있습니다. 많은 구조용 FDM 부품의 경우, 단순히 채움율을 100%로 올리는 것보다 외곽선과 방향성이 더 강력합니다.채움율이 낮은 부품이라도 벽이 두껍고 단면적이 크면 굽힘에 여전히 강할 수 있지만, 좁은 탭이나 러그를 통한 인장 강도는 단면을 가로지르는 연속 재료의 양에 따라 달라집니다. 인장 경로가 성긴 채움을 통과하면 부품은 내부 공극에서 파손될 수 있습니다. 인장 경로가 단단한 외곽선을 따라가면 추가 채움은 순수 인장보다는 주로 좌굴과 국부적인 압괴를 지지할 수 있습니다.| 채움율 범위 | 기계적 의미 | 일반적인 구조적 용도 |
|---|---|---|
| 0-15% | 대부분 쉘 지배적, 내부 공극이 국부 응력 제어 | 커버, 경량 하우징, 외관 하중 |
| 16-40% | 과도한 질량 없이 유용한 내부 하중 분담 | 적절한 안전 계수의 고정구, 마운트, 브래킷 |
| 41-70% | 더 작은 단면에 대한 강력한 내부 지지 | 내하중 탭, 클램프, 공구 홀더 |
| 71-100% | 거의 중실에 가까운 거동이지만 높은 시간 및 재료 비용 | 작은 중요 단면 또는 시험편 |
인장 부품의 채움 규칙
Z축 박리 하중을 보상하기 위해 채움율을 사용하지 마십시오.
하중이 부품 외부 근처에서 지지될 때는 채움보다 먼저 외곽선을 늘리십시오.
인장 단면이 작거나 천공된 경우 더 높은 채움율을 사용하십시오.
슬라이서 생성 채움이 예상 하중 경로 전체에서 연속적인지 확인하십시오.
# 이방성 강도를 위한 그리드, 자이로이드 및 입방체 채움
채움 패턴은 내부 로드가 힘을 분산시키는 방식을 변경합니다. 그리드는 인쇄되는 방향에서 단순하고 강성이 있지만, 반복되는 교차점은 국부적인 응력 특징을 만들 수 있습니다. 자이로이드는 하중을 3차원으로 균일하게 분산시키며 하중 방향이 완벽하게 알려지지 않았을 때 유용합니다. 입방체 채움은 더 공간적인 내부 네트워크를 생성하고 좋은 강성을 제공할 수 있지만, 인쇄 시간이 증가하고 경로별 거동을 생성할 수 있습니다.면적 계산은 40% 채움이 40% 중실 플라스틱처럼 작동한다고 가정하는 대신 패턴 가중치가 적용됩니다. 자이로이드는 연속적인 표면이 혼합 하중을 더 잘 분산시키기 때문에 더 높은 내부 효율이 부여됩니다. 입방체는 강성이 있는 3차원 격자로 취급되고, 그리드는 로드가 방향성을 가지기 때문에 더 적극적으로 감소됩니다. 이를 통해 정적 하중 추정치는 단순한 직사각형 면적에 채움율을 곱한 것보다 인쇄된 FDM 거동에 더 가깝게 유지됩니다.그리드
효율적이고 예측 가능하며 검사하기 쉽지만, 방향성이 있고 복잡한 하중에서 덜 관대합니다.
- 빠른 슬라이싱
- 명확한 로드 방향
- 응력 흐름이 덜 부드러움
자이로이드
다방향 하중에 균형이 잡혀 있으며 비틀림이나 혼합 굽힘이 예상될 때 유용합니다.
- 연속 표면
- 우수한 혼합 하중 거동
- 강성 추정치가 약간 낮음
입방체
인쇄 시간과 경로 복잡성이 허용될 때 우수한 강성과 3차원 지지를 제공합니다.
- 강한 내부 격자
- 우수한 압축 지지
- 더 무거울 수 있음
패턴은 레이어 이방성을 제거할 수 없습니다
더 강한 채움 패턴은 내부 하중 분담을 개선할 수 있지만, Z축 인장 파손은 여전히 레이어 간 결합에 의존합니다. 박리가 지배적인 위험인 경우 방향 전환 또는 보강이 올바른 해결책입니다.
- 알려진 축에 정렬된 단순 인장 부재에는 그리드를 사용합니다.
- 하중이 혼합, 곡선 또는 불확실한 경우 자이로이드를 사용합니다.
- 강성과 3차원 지지가 인쇄 시간보다 더 중요한 경우 입방체를 사용합니다.
- 슬라이스된 경로를 검사하십시오. 패턴의 이름보다 하중 단면 전체의 로드 연속성이 더 중요합니다.
# 외곽선, 쉘 및 벽이 인장을 지탱하는 이유
외곽선은 부품 외부 주변의 연속적인 가닥입니다. 많은 인장 및 굽힘 케이스에서 이 외부 가닥은 중립 축에서 가장 멀리 떨어져 있고 구멍, 탭 및 브래킷 주변을 연속적으로 달리는 경우가 많기 때문에 응력의 큰 부분을 지탱합니다. 부품이 하중 경로 전체에 이러한 로드를 배치할 충분한 벽 두께를 가진 경우, 외곽선 수를 늘리는 것이 채움율을 높이는 것보다 더 안정적으로 강도를 향상시킬 수 있습니다.외곽선의 이점은 결국 포화됩니다. 작은 탭이 벽 중첩으로 인해 이미 거의 중실인 경우, 더 많은 외곽선을 추가해도 유용한 새 재료가 생성되지 않을 수 있습니다. 하중이 Z 방향인 경우 더 많은 외곽선이 단면적을 추가하지만 레이어는 여전히 결합된 판처럼 쌓여 있습니다. 구멍, 날카로운 모서리, 이음새 배치 및 레이어 시작점은 공칭 벽 수보다 더 강력한 파손 예측 변수가 될 수 있습니다.- 외곽선
- 부품 경계 주변에 인쇄된 외벽 로드, 종종 가장 연속적인 인장 경로.
- 래스터
- 레이어 내 인쇄 로드 방향, 일반적으로 채움 또는 중실 상단/하단 영역의 일부.
- 레이어 간 결합
- 한 인쇄 레이어와 다음 레이어 사이의 융합된 계면.
- 박리
- 필라멘트 로드 자체가 파단되는 대신 레이어가 분리되는 파손.
- 탄성 계수
- 영구 변형이 지배적이 되기 전의 응력과 변형률 사이의 강성 비율.
구멍과 탭 주변에 외곽선 사용
볼트 구멍, 후크 및 케이블 러그는 종종 국부 응력 집중으로 인해 파손됩니다. 이러한 피처 주변의 추가 외곽선은 일반적으로 실제 응력 경로에서 멀리 떨어진 확산 채움보다 더 가치가 있습니다.# MPa 및 GPa 출력 올바르게 읽기
MPa 단위의 인장 강도는 추정된 응력 한계(힘을 단면적으로 나눈 값)를 나타냅니다. 최소 하중 지지 단면이 알려질 때까지 뉴턴 단위의 안전 하중을 직접 제공하지 않습니다. 예를 들어, 20제곱밀리미터 단면의 30 MPa 추정치는 안전 계수 전 약 600 N에 해당합니다. 동일한 형상이 Z 방향으로 하중을 받고 추정치가 15 MPa로 떨어지면 이론적 힘 한계가 절반으로 줄어듭니다.GPa 단위의 탄성 계수는 강성을 나타내며 최종 파손을 나타내지 않습니다. 탄성 계수가 낮은 재료는 최종 강도가 허용 가능하더라도 동일한 하중에서 더 많이 늘어날 수 있습니다. 나일론과 PETG는 PLA보다 충격에 더 잘 견딜 수 있지만 브래킷이나 고정구에서 더 많이 변형될 수 있습니다. 구조 설계에는 두 가지 수치가 모두 필요합니다. 강도는 파손 위험용, 계수는 변형 위험용입니다.| 출력 | 의미 | 사용 방법 |
|---|---|---|
| 인장 강도 MPa | 선택된 하중 축에서 인장 파손 시 추정 응력 | 최소 단면적을 곱하여 이론적 힘 추정 |
| 탄성 계수 GPa | 선택된 축을 따른 추정 강성 | 재료 및 방향 간 변형 비교에 사용 |
| 임계 박리 축 | 레이어 분리에 의해 가장 파손되기 쉬운 축 | 해당 축에 주 인장 하중을 배치하지 않음 |
| Z축 페널티 | XY 강도에서 Z 강도로의 추정 손실 | 현재 설정에서 이방성이 얼마나 중요한지 보여줌 |
안전 계수 사용
인쇄된 구조 부품은 추정된 최대 강도로 설계되어서는 안 됩니다. 피로, 크리프, 열, 충격, 인쇄 결함, 습기 및 응력 집중은 모두 중요한 응용 분야에서 안전 계수와 실제 테스트를 필요로 합니다.
선폭은 유효 단면을 변경합니다
0.45mm 선폭은 동일한 벽 수에서 0.40mm 선폭보다 더 많은 외곽 재료를 생성할 수 있습니다. 추정기는 채움 기여도를 적용하기 전에 선폭을 사용하여 쉘 면적을 근사화하므로 순수한 직사각형 면적 계산보다 슬라이서 현실을 더 잘 반영합니다.# 박리 위험 및 임계 축
임계 박리 축은 일반적으로 Z입니다. 인쇄된 레이어 스택이 가장 약한 인장 방향이기 때문입니다. Z 방향으로 하중을 받은 부품은 시각적으로는 중실해 보일 수 있지만 레이어 라인을 따라 갈라질 수 있습니다. 이는 평평하게 인쇄된 후크, 위로 당겨지는 수직 탭, 박리 하중이 있는 스냅 피처, 나사 하중이 레이어를 분리하려는 브래킷에서 흔히 발생합니다. 일단 레이어 계면이 열리면 균열이 인쇄 평면을 따라 전파될 수 있기 때문에 파손이 갑작스러울 수 있습니다.일부 형상은 임계 영역을 순수한 Z에서 이동시킵니다. 잘 정렬되지 않은 X 또는 Y 하중은 이음새, 구멍, 얇은 벽 또는 채움 중단부에서 파손될 수 있습니다. 추정기는 단순화된 이방성 모델에서 가장 약한 축을 보고하지만, 사용자는 여전히 응력 집중에 대해 실제 형상을 검사해야 합니다. 필렛, 더 두꺼운 단면, 더 나은 하중 분산기, 와셔, 인서트 및 연속 외곽선은 재료 선택만큼 중요할 수 있습니다.레이어 라인은 균열 경로입니다
인가된 힘이 한 레이어를 다음 레이어에서 박리할 수 있는 경우 설계를 박리 문제로 취급하십시오. 더 높은 노즐 온도, 낮은 팬, 더 나은 건조 및 인클로저 제어가 도움이 될 수 있지만, 방향성이 여전히 첫 번째 구조적 결정입니다.
박리 위험을 줄이는 방법
인장이 Z 대신 X/Y로 작용하도록 부품을 회전시키십시오.
하중 경로와 구멍 주변의 벽 수를 늘리십시오.
필렛과 더 큰 단면을 사용하여 응력 집중을 줄이십시오.
레이어 결합이 제한 요소인 경우 더 뜨겁게 또는 더 느리게 인쇄하십시오.
중요한 하중에는 기계적 체결구, 인서트 또는 섬유 보강을 사용하십시오.
# 구조용 FDM 부품을 위한 실용적 워크플로우
재료가 아닌 실제 하중 방향부터 시작하십시오. 빌드 플레이트에서 부품 방향에 따라 X, Y 또는 Z를 선택하십시오. 열, 강성, 연성 및 환경을 기반으로 재료를 선택하십시오. 슬라이서 프로필과 일치하는 채움 및 외곽선을 입력하십시오. 그런 다음 축 맵을 비교하십시오. 선택한 하중이 Z 값에 가까우면 설계가 레이어 접착에 의해 지배될 가능성이 높습니다. 선택한 하중이 X 또는 Y이지만 형상에 구멍이나 날카로운 모서리가 포함된 경우 외곽선과 응력 감소에 집중하십시오.중요한 부품의 경우 동일한 방향, 재료, 노즐, 레이어 높이, 온도, 냉각 및 습도 조건에서 쿠폰 또는 단순화된 테스트 조각을 인쇄하십시오. 작은 테스트 후크, 탭 또는 인장 스트립은 모델이 로드 파단, 레이어 분할, 구멍 찢어짐 또는 크리프 중 어떤 방식으로 파손되는지 밝혀낼 수 있습니다. 계산기는 계획 도구입니다. 검증은 파손 모드와 환경과 일치해야 합니다.- 강도 수치를 읽기 전에 하중 축을 선언하십시오.
- 가능한 경우 후크, 탭 및 브래킷에 Z 인장을 피하십시오.
- 인장 하중이 외부 쉘을 따르는 경우 더 많은 외곽선을 사용하십시오.
- 채움을 방향성의 대체재가 아닌 단면 지지용으로 사용하십시오.
- 구조용 인쇄물을 신뢰하기 전에 열, 크리프, 피로, 충격 및 습기를 고려하십시오.
최고의 구조용 인쇄물은 일반적으로 의도적으로 방향이 지정된 것처럼 보입니다
강한 인쇄 부품은 주 인장 하중이 레이어를 분리하는 대신 연속적인 로드를 따르기 때문에 더 많은 서포트 재료나 덜 편리한 방향을 사용하는 경우가 많습니다.