Isotropic & concentric: come orientare correttamente le fibre nei pezzi stampati 3D con la Markforged

Tipologia di Riempimento

Le stampanti 3D Markforged con tecnologia CFF sono state progettate per la realizzazione di pezzi meccanici ad altissima resistenza. Per sfruttare appieno le potenzialità della macchina però, è necessario conoscere le modalità di orientamento delle fibre di rinforzo.

Il software di slicing dedicato Eiger (clicca qui per accedere) mette a disposizione due modalità differenti di orientamento delle fibre: Isotropic Fiber o Concentric Fiber.

Ogni metodologia presenta vantaggi e svantaggi che verranno analizzati nel seguito dell’articolo. Se si è già in possesso di una stampante 3D Markforged questa guida sarà di aiuto per compiere la scelta più opportuna di riempimento in base alle sollecitazioni del pezzo. Se invece la tecnologia ti incuriosisce, è possibile richiedere una prova di stampa 3D per scoprire tutti i vantaggi dell’uso dell’additive manufacturing.  

STAMPANTI 3D MARKFORGED  

Premessa

L’immagine seguente mostra la nomenclatura e le convenzioni utilizzate nell’articolo. Poichè spesso si farà riferimento ai rinforzi lungo assi e piani differenti, è necessario evitare fraintendimenti. 

Concentric Fiber

Questo tipo di rinforzo crea un numero specifico di linee di rinforzo che seguono il contorno esterno della parte da stampare 3D. Aumenta cosi la resistenza del pezzo a trazione.

Si evita così la flessione del pezzo lungo l’asse z e, in generale, si prevengono le deformazioni.

Il Concentric Fiber Reinforcement incrementa la resistenza alla flessione del pezzo e aiuta a ridurne il peso. Il tempo impiegato dalla stampante 3D per produrre la parte è più elevato rispetto alla modalità Isotropic, in quanto i movimenti della testa di stampa non sono lineari. Al fine di garantire un’ottima precisione dimensionale la testa di stampa riduce la sua velocità in prossimità delle curve.

Nella modalità di riempimento concentrica, l’estrusore segue la curvatura esterna del prototipo a modi spirale verso l’interno, perciò, più la curvatura è complessa e più tempo è richiesto. E’ possibile specificare il numero di anelli di fibre con il quale si vuole tracciare il contorno del pezzo, in modo da avere un buon controllo della quantità di fibra utilizzate per ogni layer (strato).

Isotropic Fiber

Utilizzando questa tecnica di rinforzo è possibile produrre un pezzo costituito da singoli strati unidirezionali di fibre. Lo strato costituisce un vero e proprio “foglio” di fibre parallele. Sul bordo del pezzo la fibra viene ruotata di 180° per consentire il parallelismo.

L’orientamento del layer precedente viene automaticamente ruotato di 45° dal software Eiger; tuttavia è possibile scegliere manualmente l’inclinazione delle fibre tra due strati successivi.

La modalità Isotropic è ideale quando si vuole evitare la flessione nel piano XY. Gli sforzi flessionali applicati infatti, generano trazione sulle fibre, che sono appositamente progettate per questo tipo di sollecitazione che resistono al meglio a questo tipo di sollecitazione. E’ possibile inoltre creare dei Sandwich Panels (maggiori dettagli nel seguito dell’articolo) per incrementare anche la resistenza a torsione sul piano XY.

Una cosa da tener presente della modalità di riempimento isotropa isotropic è che crea di default due anelli concentrici di fibre sul contorno del pezzo.

La finitura superficiale in questo modo, risulta molto precisa, poiché la maggior parte delle fibre sono parallele e continue sul contorno del pezzo. La Isotropic Fiber produce parti molto resistenti su ogni piano, ma è più dispendiosa della Concentric in termini di tempo e materiale. Per questo motivo è bene valutare la necessità effettiva di questa tipologia di orientamento.

Tecniche base di riempimento

Le due modalità di orientamento delle fibre Isotropic e Concentric possono essere combinate opportunamente.

Con le tecniche base di riempimento di seguito esposte, sarà possibile risparmiare tempo e materiale, permettendo di rinforzare il pezzo solo dove è necessario.

Single Sandwich Panel

La modalità Single Sandwich Panel è una comune tecnica per creare parti che resistano a torsione lungo la superficie che i fogli creano.

Questa tipologia di rinforzo è equivalente ad una trave ad I, costituita da materiale rigido e resistente nella parte superiore e inferiore (i piani superiore e inferiore sono quelli maggiormente sollecitati a flessione, perciò sono anche i più rinforzati).

Se un pezzo è sollecitato a torsione lungo il piano XY, la Single Sandwich Panel migliorerà la resistenza a torsione.

Il software Eiger genererà automaticamente il Sandwich Panel una volta che la modalità “Use Fiber” viene selezionata. Tuttavia questo può avvenire solo nel caso in cui la parte sia simmetrica in quanto verranno deposti degli strati di fibre nella parte superiore e inferiore.

E’ sempre meglio utilizzare la modalità Sandwich nelle parti costituite da layer con una sezione trasversale simile.

Perchè questa modalità di riempimento sia davvero efficace, è necessario che ci sia un numero equivalente di strati isotropi sulla parte superiore e inferiore del pezzo che si vuole rinforzare. Se questa condizione non viene rispettata, è possibile che il prototipo sia più resistente a flessione in una direzione piuttosto che nell’altra, piegandosi o addirittura rompendosi lungo quella direzione.

Ovviamente, aumentando il numero di strati di fibre, aumenta anche la resistenza della parte.

Fiber Perimeter

Questa metodologia di riempimento è ideale per creare prototipi resistenti lungo l’asse Z. Utilizzando la modalità Concentric per tutti i layer del pezzo è possibile incrementare la resistenza a flessione lungo l’asse Z.

Come specificato poc’anzi prima questo riempimento rinforza le pareti del pezzo, impedendo o comunque rendendo più difficoltosa la flessione di quest’ ultime. Per impostare la modalità il valore di Fiber Perimeter è necessario utilizzare la modalità concentric sui layer che si vuole rinforzare. Incrementando il numero di anelli concentrici o aumentando il numero di layer in cui gli anelli vengono utilizzati, è possibile migliorare la resistenza del pezzo lungo l’asse Z.

La leva del freno nella figura seguente è sottoposta a flessione lungo l’asse Z, perciò ogni strato è stato rinforzato con tre anelli concentrici per massimizzare la resistenza. Poiché la mezzeria del pezzo è sottoposta al minor sforzo di flessione, non è necessario rinforzare con gli anelli concentrici anche la parte centrale.

Shelling

Se si vuole incrementare la resistenza a flessione del pezzo lungo tutti gli assi, o se non si è a conoscenza con precisione delle sollecitazioni a cui verrà sottoposto, è possibile combinare entrambe le tecniche.

Con un Sandwich Panel sulla parte superiore e inferiore e con un guscio di fibre nel mezzo, la resistenza a flessione viene incrementata lungo tutti gli assi. La figura seguente mostra il supporto di un motore per un’applicazione robotica: i carichi a cui dovrà resistere proverranno da tutte le direzioni, perciò è stato rinforzato lungo tutti i piani.

La barra in basso allo schermo permette di controllare la differente sezione delle fibre e mostra quanta fibra ogni layer presenta.

Con l’esperienza è possibile comprendere in che modo ogni orientamento delle fibre rinforza il pezzo, migliorandone così le proprietà in modo da evitare lo spreco inutile di materiale.  

SOFTWARE EIGER