Markforged Mechanical Features #1: 3D-geprinte Living Hinges Beheersen

Update: Duik dieper in flexureel ontwerp door onze webinar te bekijken over het ontwerpen van flexurele elementen en living hinges.

Originele Post: Markforged Mechanical Features (MMF) is een reeks diepgaande posts die best practices deelt voor het ontwerpen van gangbare engineering-onderdelen en mechanische kenmerken voor composiet-versterkte 3D-printen met Markforged-printers.

Welkom bij de eerste editie van Markforged Mechanical Features! Klanten vragen regelmatig hoe vertrouwde mechanische kenmerken te vertalen naar 3D-geprinte delen die de functionele sterkte van Markforged-materialen volledig benutten. Om deze kennis te delen, zullen we regelmatig artikelen publiceren over een enkel engineering-kenmerk, met praktische tips en trucs voor het maximaliseren van uw Markforged-printers potentieel.

Vandaag verkennen we living hinges. In essentie is een living hinge een dun, integraal deel dat buigt om rotatie rond een enkele as te bieden. U heeft ze waarschijnlijk gezien op alledaagse items – van tandvloerkapjes tot shampoefles dopjes. Hun duurzaamheid en productiegemak maken ze een vast onderdeel in geïnjiceerde verpakking, en met Markforged kunt u ze in uw ontwerpen insluiten met industriële-kwaliteit sterkte.

Tech Termen – als u al comfortabel bent met living hinges, voel u vrij om deze sectie over te slaan

Laten we beginnen met de basis. Hieronder is een gelabeld diagram van een voorbeeld living hinge deel dat we zullen bespreken.

De afbeelding benadrukt twee flexibele kenmerken: de living hinge en de kliekflexuur. Hoewel beiden rotatie rond een enkele as toestaan, dienen ze verschillende functies, weerspiegeld in hun geometrie.

Om 3D-geprinte living hinges te illustreren, heb ik samengewerkt met Bennett, een Senior Mechanical Engineer bij Markforged. Bennett bracht drie jaar ervaring in electro-mechanische systemen en geïnjiceerde behuizingen bij een groot medisch robotica-bedrijf, en is een SolidWorks-virtuoos met een passie voor het brengen van rigoureus mechanisch ontwerp naar 3D-printen. Hij heeft recent living hinges in het kantoor gemaakt.

Bennett: Ik begon living hinges te printen nadat mijn broer – een ingenieur in de Bay Area – me vraagde zijn ontwerpen te prototypen op de Mark Two. Zijn werk in consumer electronics steunt zwaar op snaps en scharnieren. SLA-prototypes zijn geweldig voor vorm en pasvorm visualiseren, maar zijn bros en falen na eenmalig gebruik, wat ze ongeschikt maakt voor functionele testing. Traditionele geïnjiceerde prototypes zijn duur en traag, wat snelle iteratie belemmert. Mijn broer stuurde me de STL-bestanden, en ik zette ze op in Eiger om op een Mark Two te printen die dag nog.

Het werken aan zijn delen ontbrandde mijn interesse in het experimenteren met ontwerpparameters voor Mark Two living hinges. Het onderstaande vakje toont een vereenvoudigd model dat de richtlijnen incorporeert die ik tijdens die samenwerking ontwikkelde.

Nick: Een van de sleutels tot succesvolle living hinge prints is de juiste deeloriëntatie in Eiger. Of u nu zuiver nylon gebruikt (voor flexibiliteit) of kevlar-versterkt nylon (voor hogere belasting-stijfheid), het zijprofiel van de scharnier moet uitgelijnd zijn met de Z-as. Met andere woorden, het volledige zijprofiel moet plat liggen in het XY-vlak.

Juiste oriëntatie is belangrijk omdat 1) vezels alleen in het XY-vlak gelegd kunnen worden, dus het uitlijnen van de scharnier laat Kevlar langs de lengte lopen, en 2) de as-geprinte nylon treksterkte in een laag ver overstijgt inter-laag adhesie. Deze factoren vereisen de oriëntatie getoond in de Eiger-screenshot hieronder.

Een frequente uitdaging voor nieuwe gebruikers is het begrijpen van de anisotropie van 3D-geprinte delen.

Tech Termen

Materiaal anisotropie verwijst naar richtingsafhankelijke mechanische eigenschappen. Bijvoorbeeld, hout splijst gemakkelijk langs de vezel maar weerstaat snijden er dwars. Isotrope materialen, zoals veel metalen, vertonen uniforme eigenschappen ongeacht oriëntatie.

/Tech Termen

Bennett: Zoals Nick opmerkte, geeft FFF pieksterkte in het XY-vlak. Nylon's vermoeidingsweerstand verhoogt scharnierduurzaamheid verder. Daarom ligt de optimale scharnierdoorsnede in het horizontale XY-vlak. Dikkere scharnieren verhogen stijfheid. In dit voorbeeld vereist een dekselscharnier volle 180° beweging, terwijl een kliekscharnier minder rotatie nodig heeft maar betrouwbaar het deksel gesloten moet houden. Ik ontwierp het dekselscharnier zo dun mogelijk en het kliekscharnier dikker voor stijfheid, modellerend het deksel in een 90° open neutrale staat en de kliek lichtjes gesloten om snap-in te helpen. Houd in gedachten dat 3D-geprinte flexibele delen neigen om terug te keren naar hun as-geprinte toestand tenzij ze significante plastische deformatie ondergaan.

Vervolgens importeerde ik het deel in Eiger, roteerde het voor correcte oriëntatie, en schakelde vezel in. Ik gebruikte een concentrische vul om vezel volledig in te sluiten en paste de instellingen toe op het hele deel. Eiger vlagde onvoldoende ruimte voor vezel vanwege mijn scharnierafmetingen, maar de Mark Two's grotere monding accommodeerde vezel in zowel de basis als het deksel – iets wat de Mark One met deze grootte niet kon bereiken. Ik schakelde ook de brim-instelling in om hoge, dunne secties tijdens de initiële lagen te ondersteunen.

Technische Details

• Dekselscharnier dikte: 0,7 mm voor maximale flexibiliteit
• Kliekscharnier dikte: 1,2 mm voor grotere stijfheid en veilige vergrendeling
• Delen gemodelleerd in zowel open als gesloten posities om buigradius te valideren voor definitieve print

Klaar om het zelf te proberen? Download Bennett's SolidWorks-bestanden: Living_Hinges CAD SW bestand en het Eiger-klaar STL: Living_Hinges STL.