# Dlaczego orientacja XYZ kontroluje wytrzymałość na rozciąganie FDM
Części FDM są anizotropowe: nie mają tej samej wytrzymałości na rozciąganie we wszystkich kierunkach. Wydrukowany pręt obciążony wzdłuż kierunku X lub Y zwykle ciągnie głównie wzdłuż osadzonych ścieżek i powłok obwodowych. Ten sam materiał obciążony wzdłuż kierunku Z rozrywa wiązania międzywarstwowe. Ta różnica nie jest małą korektą. W przypadku wielu praktycznych wydruków wytrzymałość na rozciąganie w osi Z może być mniejsza niż połowa wartości XY, zwłaszcza gdy przyczepność warstw, chłodzenie, wilgotność lub niska temperatura dyszy nie są zoptymalizowane.Ten estymator odmawia obliczeń, dopóki oś obciążenia nie zostanie zadeklarowana, ponieważ niezadeklarowana orientacja daje mylące wartości strukturalne. Wartość materiału 50 MPa z karty danych filamentu jest zwykle mierzona na formowanych lub starannie wydrukowanych próbkach, a nie na każdej możliwej orientacji druku. Projektowanie strukturalne FDM musi odpowiedzieć na konkretne pytanie: czy przyłożone obciążenie rozciągające jest równoległe do osadzonych warstw czy prostopadłe do stosu warstw?Kalkulator prosi również o szerokość przekroju, wysokość przekroju i szerokość linii ekstruzji, aby oszacowanie naprężenia mogło stać się oszacowaniem obciążenia. Wytrzymałość na rozciąganie w MPa to naprężenie; pomnożenie go przez efektywny przekrój w milimetrach kwadratowych daje siłę w niutonach. To jest różnica między stwierdzeniem "ten profil ma około 28 MPa" a stwierdzeniem "ten przekrój 20 x 10 mm jest szacowany na około 520 kgf przed ostatecznym zniszczeniem rozciągającym w wybranej orientacji." X/Y obciążenie głównie równoległe do ścieżek ekstruzji i płaszczyzn warstw
Z obciążenie ciągnie przez wiązanie międzywarstwowe
40-70% typowa utrata wytrzymałości Z w porównaniu z wydrukami XY
Nigdy nie używaj pojedynczej wartości wytrzymałości materiału dla każdego kierunku druku
Jeśli ścieżka obciążenia przecina linie warstw, część należy traktować jako problem wiązania międzywarstwowego. Ignorowanie orientacji XYZ to jeden z najszybszych sposobów na przeszacowanie wsporników, haków, zacisków, języczków, zawiasów, uchwytów i drukowanych części zamiennych.
# Obciążenia równoległe vs prostopadłe w drukowanych częściach
Obciążenie równoległe to obciążenie rozciągające działające w płaszczyźnie wydrukowanej warstwy. W zwykłym układzie współrzędnych drukarki oznacza to kierunek X lub Y dla części wydrukowanej płasko na stole. Obciążenie jest przenoszone przez ściany obwodowe, ścieżki wypełnienia i ścieżki wypełnienia wewnętrznego. Obciążenie prostopadłe to obciążenie rozciągające wzdłuż Z, gdzie każda warstwa musi przenieść siłę na następną warstwę poprzez wiązanie termiczne i dyfuzję molekularną na granicy.To rozróżnienie jest ważne, ponieważ obwody są niezwykle skuteczne w rozciąganiu X/Y, ale nie mogą magicznie usunąć szwu Z między warstwami. Więcej obwodów może pomóc części obciążonej w Z poprzez zwiększenie przekroju i zmniejszenie koncentracji naprężeń, jednak tryb zniszczenia często pozostaje delaminacją. W przypadku krytycznej części obróć model tak, aby najwyższe obciążenie rozciągające nie ciągnęło bezpośrednio przez warstwy, nawet jeśli wymaga to więcej materiału podporowego.| Przypadek obciążenia | Relacja warstw | Oczekiwane zachowanie przy zniszczeniu | Reakcja projektowa |
|---|---|---|---|
| Rozciąganie X na płaskim wydruku | Równoległe | Rozciąganie ścieżki, pęknięcie obwodu, ścinanie wypełnienia | Użyj więcej ścian i wyrównaj ścieżki z obciążeniem |
| Rozciąganie Y na płaskim wydruku | Równoległe | Podobne do X, czasami nieco niższe ze względu na układ ścieżek | Sprawdź ciągłość ścian i umiejscowienie szwów |
| Rozciąganie Z przez wysokość | Prostopadłe | Separacja warstw i delaminacja | Zmienić orientację części lub dodać wzmocnienie mechaniczne |
| Rzeczywiste rozciąganie pod kątem | Mieszane | Połączone pęknięcie ścieżki i odwarstwienie | Rozłożyć obciążenie na składowe i chronić składową Z |
Zacznij od narysowania strzałki siły na części
Przed zmianą wypełnienia narysuj oczekiwany kierunek siły rozciągającej na orientacji druku. Jeśli strzałka wskazuje przez stos warstw, oszacowanie osi Z jest odpowiednią liczbą ostrzegawczą.# Wybór materiału: PLA, PETG, ABS, PC i Nylon
Materiał wpływa zarówno na podstawową wytrzymałość na rozciąganie, jak i na jakość wiązania warstw. PLA często wykazuje wysoką sztywność i silne wartości rozciągania XY, ale może być kruchy i wrażliwy na ciepło. PETG ma niższą sztywność, ale lepszą ciągliwość i często wybaczającą przyczepność warstw. ABS silnie zależy od temperatury komory, ponieważ naprężenia chłodzące mogą osłabić kontakt międzywarstwowy. Poliwęglan może być wytrzymały, ale tylko wtedy, gdy jest drukowany wystarczająco gorąco i utrzymywany w suchości. Nylon jest wytrzymały i odporny na zmęczenie, ale wilgotność, miękkość i temperatura druku dramatycznie zmieniają wyniki.PLA
Wysoka sztywność i dobra wytrzymałość XY, przydatna do sztywnych uchwytów, gdy ekspozycja na ciepło jest niska.
- Mocne ścieżki
- Kruche przeciążenie
- Mały margines w gorącym otoczeniu
PETG
Umiarkowana wytrzymałość z użyteczną ciągliwością i praktyczną przyczepnością warstw.
- Mniej kruchy niż PLA
- Dobre uchwyty warsztatowe
- Może pełzać pod stałym obciążeniem
ABS, PC, Nylon
Opcje inżynieryjne wymagające obudowy, kontroli temperatury i suchego filamentu dla niezawodnej wytrzymałości Z.
- Lepsze opcje cieplne
- Bardziej wrażliwe na proces
- Wilgotność i wypaczanie mają znaczenie
Wybór twardszego materiału zamiast zmiany orientacji
Zalety
- Bardziej wytrzymały polimer może absorbować uderzenia i zmniejszać kruche pękanie.
- PC i nylon mogą poprawić zachowanie cieplne i zmęczeniowe.
- PETG może być bezpieczniejszym ciągliwym wyborem niż PLA dla wielu wsporników.
Wady
- Może nadal ulegać delaminacji, jeśli obciążenie jest prostopadłe do warstw.
- Słabe suszenie lub niska temperatura dyszy mogą zniweczyć przewagę.
- Ma niższy moduł i może pełzać pod ciągłym naprężeniem.
Karty danych materiałów nie są uniwersalnymi wartościami dla drukowanych części
Wartości wytrzymałości filamentu mogą pochodzić z formowanych próbek, idealnych prętów testowych lub ustawień druku specyficznych dla dostawcy. Używaj ich jako kontekstu materiału, a następnie zmniejsz oszacowanie dla wypełnienia, powłok, wzoru, a zwłaszcza obciążenia osi Z.
Jakość druku zmienia głównie integralność warstw
Opcje Szkic, Standard i Wysoka Wytrzymałość działają celowo silniej na osi Z niż na X/Y. Gorętszy, wolniejszy, lepiej wysuszony wydruk może poprawić wiązanie warstw, podczas gdy szybki zimny profil szkicu może utrzymać akceptowalne ścieżki XY, ale pozostawić część podatną na delaminację.# Jak procent wypełnienia zmienia granice strukturalne
Procent wypełnienia zwiększa powierzchnię nośną wewnątrz części, ale efekt nie jest idealnie liniowy. Przejście z 10% na 30% często daje dużą poprawę, ponieważ część zyskuje więcej wewnętrznych ścieżek do przenoszenia naprężeń. Przejście z 70% na 100% może dodać czasu druku i masy bez tego samego proporcjonalnego zysku, zwłaszcza gdy zewnętrzne obwody już przenoszą większość obciążenia rozciągającego. Dla wielu strukturalnych części FDM, obwody i orientacja są silniejsze niż zwykłe zwiększenie wypełnienia do 100%.Części z niskim wypełnieniem mogą być nadal wytrzymałe na zginanie, gdy ściany są grube, a przekrój duży, ale wytrzymałość na rozciąganie przez wąski języczek zależy od tego, ile ciągłego materiału przecina przekrój. Jeśli ścieżka rozciągania przechodzi przez rzadkie wypełnienie, część może ulec zniszczeniu wewnętrznych pustek. Jeśli ścieżka rozciągania podąża za stałymi obwodami, dodatkowe wypełnienie może głównie wspierać wyboczenie i lokalne zgniatanie, a nie czyste rozciąganie.| Zakres wypełnienia | Znaczenie mechaniczne | Typowe zastosowanie strukturalne |
|---|---|---|
| 0-15% | Głównie zdominowany przez powłokę, wewnętrzne puste przestrzenie kontrolują lokalne naprężenia | Pokrywy, lekkie obudowy, obciążenia kosmetyczne |
| 16-40% | Użyteczne wewnętrzne przenoszenie obciążenia bez nadmiernej masy | Uchwyty, mocowania, wsporniki z umiarkowanym współczynnikiem bezpieczeństwa |
| 41-70% | Silne wewnętrzne wsparcie dla mniejszych przekrojów | Języczki nośne, zaciski, uchwyty narzędzi |
| 71-100% | Zachowanie prawie lite, ale wysoki koszt czasu i materiału | Małe krytyczne przekroje lub próbki testowe |
Zasady wypełnienia dla części rozciąganych
Nie używaj procentu wypełnienia do kompensacji obciążenia delaminacyjnego osi Z.
Zwiększ obwody przed wypełnieniem, gdy obciążenie jest przenoszone blisko zewnętrznej strony części.
Używaj wyższego wypełnienia, gdy przekrój rozciągany jest mały lub perforowany.
Potwierdź, że wypełnienie generowane przez slicer jest ciągłe na oczekiwanej ścieżce obciążenia.
# Wypełnienie Siatka, Gyroid i Sześcienne dla wytrzymałości anizotropowej
Wzór wypełnienia zmienia sposób, w jaki wewnętrzne ścieżki rozkładają siłę. Siatka jest prosta i sztywna w kierunkach, w których drukuje, ale powtarzające się punkty przecięcia mogą tworzyć lokalne cechy naprężeń. Gyroid rozkłada obciążenie równomiernie w trzech wymiarach i jest często przydatny, gdy kierunek obciążenia nie jest idealnie znany. Wypełnienie sześcienne tworzy bardziej przestrzenną sieć wewnętrzną i może zapewnić dobrą sztywność, ale może zwiększyć czas druku i generować specyficzne zachowanie ścieżki.Obliczanie powierzchni jest ważone wzorem, zamiast zakładać, że 40% wypełnienia zachowuje się jak 40% litego plastiku. Gyroid otrzymuje wyższą wydajność wewnętrzną, ponieważ jego ciągła powierzchnia lepiej rozkłada mieszane obciążenia, sześcienny jest traktowany jako sztywna trójwymiarowa krata, a siatka jest redukowana bardziej agresywnie, ponieważ jej ścieżki są kierunkowe. To utrzymuje oszacowanie obciążenia statycznego bliżej drukowanego zachowania FDM niż proste prostokątne pole pomnożone przez procent wypełnienia.Siatka
Wydajna, przewidywalna i łatwa do sprawdzenia, ale kierunkowa i mniej wybaczająca przy złożonych obciążeniach.
- Szybkie krojenie
- Wyraźne kierunki ścieżek
- Mniej gładki przepływ naprężeń
Gyroid
Zrównoważona dla obciążeń wielokierunkowych i przydatna, gdy spodziewany jest skręt lub mieszane zginanie.
- Ciągła powierzchnia
- Dobre zachowanie przy mieszanych obciążeniach
- Nieco niższe oszacowanie sztywności
Sześcienny
Dobra sztywność i trójwymiarowe wsparcie, gdy czas druku i złożoność ścieżek są akceptowalne.
- Silna wewnętrzna krata
- Dobre wsparcie przy ściskaniu
- Może być cięższy
Wzór nie może usunąć anizotropii warstw
Silniejszy wzór wypełnienia może poprawić wewnętrzny rozkład obciążenia, ale zniszczenie rozciągające osi Z nadal zależy od wiązania między warstwami. Zmiana orientacji lub wzmocnienie są właściwym rozwiązaniem, gdy delaminacja jest dominującym ryzykiem.
- Używaj siatki dla prostych elementów rozciąganych wyrównanych ze znanymi osiami.
- Używaj gyroidu, gdy obciążenie jest mieszane, zakrzywione lub niepewne.
- Używaj sześciennego, gdy sztywność i trójwymiarowe wsparcie są ważniejsze niż czas druku.
- Sprawdź pokrojoną ścieżkę; nazwa wzoru jest mniej ważna niż ciągłość ścieżki przez przekrój obciążenia.
# Obwody, powłoki i dlaczego ściany przenoszą rozciąganie
Obwody to ciągłe pasma wokół zewnętrznej strony części. W wielu przypadkach rozciągania i zginania te zewnętrzne pasma przenoszą dużą część naprężenia, ponieważ są najdalej od osi obojętnej i często biegną ciągle wokół otworów, języczków i wsporników. Zwiększenie liczby obwodów może poprawić wytrzymałość bardziej niezawodnie niż zwiększenie wypełnienia, gdy część ma wystarczającą grubość ściany, aby umieścić te ścieżki na ścieżce obciążenia.Korzyść z obwodów ostatecznie nasyca się. Jeśli mały języczek jest już prawie lity z powodu nakładania się ścian, dodanie większej liczby obwodów może nie stworzyć użytecznego nowego materiału. Jeśli obciążenie jest wzdłuż Z, więcej obwodów dodaje przekroju, ale warstwy są nadal ułożone jak połączone płyty. Otwory, ostre narożniki, umiejscowienie szwów i początki warstw mogą stać się silniejszymi predyktorami zniszczenia niż nominalna liczba ścian.- Obwód
- Zewnętrzna ścieżka ściany drukowana wokół granicy części, często najbardziej ciągła ścieżka rozciągania.
- Raster
- Kierunek drukowanej ścieżki wewnątrz warstwy, zwykle część wypełnienia lub litych obszarów górnych/dolnych.
- Wiązanie międzywarstwowe
- Połączone granica między jedną wydrukowaną warstwą a następną.
- Delaminacja
- Zniszczenie, w którym warstwy oddzielają się, zamiast pękać sama ścieżka filamentu.
- Moduł sprężystości
- Stosunek sztywności między naprężeniem a odkształceniem, zanim dominuje odkształcenie trwałe.
Używaj obwodów wokół otworów i języczków
Otwory na śruby, haki i ucha kablowe często ulegają zniszczeniu z powodu lokalnej koncentracji naprężeń. Dodatkowe obwody wokół tych elementów są zwykle bardziej wartościowe niż rozproszone wypełnienie daleko od rzeczywistej ścieżki naprężeń.# Prawidłowe odczytywanie wartości MPa i GPa
Wytrzymałość na rozciąganie w MPa opisuje szacowany limit naprężenia: siła podzielona przez pole przekroju poprzecznego. Nie daje bezpośrednio bezpiecznego obciążenia w niutonach, dopóki nie jest znany minimalny przekrój nośny. Na przykład oszacowanie 30 MPa na przekroju 20 milimetrów kwadratowych odpowiada około 600 N przed współczynnikami bezpieczeństwa. Jeśli ta sama geometria jest obciążona wzdłuż Z, a oszacowanie spada do 15 MPa, teoretyczny limit siły jest zmniejszony o połowę.Moduł sprężystości w GPa opisuje sztywność, a nie ostateczne zniszczenie. Materiał o niższym module może rozciągnąć się bardziej pod tym samym obciążeniem, nawet jeśli jego ostateczna wytrzymałość jest akceptowalna. Nylon i PETG mogą lepiej wytrzymać uderzenia niż PLA, ale mogą bardziej uginać się we wsporniku lub uchwycie. Projektowanie strukturalne potrzebuje obu liczb: wytrzymałości dla ryzyka zniszczenia i modułu dla ryzyka ugięcia.| Wyjście | Co oznacza | Jak używać |
|---|---|---|
| Wytrzymałość na rozciąganie MPa | Szacowane naprężenie przy zniszczeniu rozciągającym dla wybranej osi obciążenia | Pomnóż przez minimalną powierzchnię przekroju, aby oszacować teoretyczną siłę |
| Moduł sprężystości GPa | Szacowana sztywność wzdłuż wybranej osi | Użyj do porównań ugięcia między materiałami i orientacjami |
| Krytyczna oś delaminacji | Oś najbardziej narażona na zniszczenie przez separację warstw | Unikaj umieszczania głównego obciążenia rozciągającego na tej osi |
| Kara za oś Z | Szacowana utrata od wytrzymałości XY do wytrzymałości Z | Pokazuje, jak bardzo anizotropia ma znaczenie dla bieżących ustawień |
Używaj współczynników bezpieczeństwa
Drukowane części strukturalne nie powinny być projektowane na szacowaną wytrzymałość maksymalną. Zmęczenie, pełzanie, ciepło, uderzenie, wady druku, wilgotność i koncentracja naprężeń wymagają współczynników bezpieczeństwa i rzeczywistych testów dla krytycznych zastosowań.
Szerokość linii zmienia efektywny przekrój
Szerokość linii 0,45 mm może utworzyć więcej materiału obwodowego niż szerokość linii 0,40 mm przy tej samej liczbie ścian. Estymator używa szerokości linii do przybliżenia powierzchni powłoki przed zastosowaniem wkładu wypełnienia, co lepiej odzwierciedla rzeczywistość slicera niż czyste obliczanie powierzchni prostokąta.# Ryzyko delaminacji i oś krytyczna
Krytyczna oś delaminacji to zwykle Z, ponieważ wydrukowany stos warstw jest najsłabszym kierunkiem rozciągania. Część obciążona w Z może wyglądać wizualnie lito, a mimo to pękać wzdłuż linii warstw. Jest to powszechne w przypadku płasko drukowanych haków, pionowych języczków ciągniętych do góry, zatrzasków z obciążeniem odrywającym i wsporników, w których obciążenie śruby próbuje oddzielić warstwy. Zniszczenie może być nagłe, ponieważ po otwarciu jednego interfejsu warstwy pęknięcie może rozprzestrzeniać się wzdłuż płaszczyzny druku.Niektóre geometrie przesuwają krytyczny region z dala od czystego Z. Źle wyrównane obciążenie X lub Y może zniszczyć się na szwie, otworze, cienkiej ścianie lub przerwaniu wypełnienia. Estymator raportuje najsłabszą oś z uproszczonego modelu anizotropowego, ale użytkownik powinien nadal sprawdzać rzeczywistą geometrię pod kątem koncentracji naprężeń. Zaokrąglenia, grubsze przekroje, lepsze rozprowadzacze obciążenia, podkładki, wkładki i ciągłe obwody mogą mieć tak samo duże znaczenie jak wybór materiału.Linie warstw są ścieżkami pęknięć
Jeśli przyłożona siła może oderwać jedną warstwę od drugiej, traktuj projekt jako problem delaminacji. Wyższa temperatura dyszy, niższy wentylator, lepsze suszenie i kontrola obudowy mogą pomóc, ale orientacja jest nadal pierwszą decyzją strukturalną.
Sposoby zmniejszenia ryzyka delaminacji
Obróć część tak, aby rozciąganie działało w X/Y zamiast Z.
Zwiększ liczbę ścian wokół ścieżki obciążenia i otworów.
Używaj zaokrągleń i większych przekrojów, aby zmniejszyć koncentrację naprężeń.
Drukuj goręcej lub wolniej, gdy wiązanie warstw jest czynnikiem ograniczającym.
Używaj łączników mechanicznych, wkładek lub wzmocnienia włóknem dla krytycznych obciążeń.
# Praktyczny przepływ pracy dla strukturalnych części FDM
Zacznij od rzeczywistego kierunku obciążenia, a nie materiału. Wybierz X, Y lub Z zgodnie z orientacją części na stole roboczym. Wybierz materiał na podstawie ciepła, sztywności, ciągliwości i środowiska. Wprowadź wypełnienie i obwody zgodne z profilem slicera. Następnie porównaj mapę osi: jeśli wybrane obciążenie jest blisko wartości Z, projekt jest prawdopodobnie zdominowany przez przyczepność warstw. Jeśli wybrane obciążenie to X lub Y, ale geometria zawiera otwory lub ostre narożniki, skup się na obwodach i redukcji naprężeń.W przypadku części, które mają znaczenie, wydrukuj próbki lub uproszczone elementy testowe w tej samej orientacji, materiale, dyszy, wysokości warstwy, temperaturze, chłodzeniu i wilgotności. Mały hak testowy, języczek lub pasek rozciągany może ujawnić, czy model ulega zniszczeniu przez pęknięcie ścieżki, rozdzielenie warstw, wyrwanie otworu lub pełzanie. Kalkulator jest narzędziem planowania; walidacja powinna odpowiadać trybowi zniszczenia i środowisku.- Zadeklaruj oś obciążenia przed odczytaniem jakiejkolwiek wartości wytrzymałości.
- Unikaj rozciągania Z dla haków, języczków i wsporników, gdy to możliwe.
- Używaj więcej obwodów, gdy obciążenie rozciągające podąża za zewnętrzną powłoką.
- Używaj wypełnienia do wspierania przekroju, a nie jako substytutu orientacji.
- Uwzględnij ciepło, pełzanie, zmęczenie, uderzenie i wilgotność przed zaufaniem strukturalnemu wydrukowi.
Najlepszy wydruk strukturalny zwykle wygląda celowo zorientowany
Wytrzymała drukowana część często używa więcej materiału podporowego lub mniej wygodnej orientacji, ponieważ główne obciążenie rozciągające podąża za ciągłymi ścieżkami zamiast odrywać warstwy.