ألياف الكربون في الطباعة ثلاثية الأبعاد: كيف يعيد التصنيع الإضافي تشكيل الأجزاء المركبة

ألياف الكربون في الطباعة ثلاثية الأبعاد: حيث يلتقي التصنيع الإضافي بالمركبات عالية الأداء

لسنوات، عاشت ألياف الكربون والطباعة ثلاثية الأبعاد في عوالم منفصلة. كانت المواد المركبة تنتمي إلى الأوتوكلافات والقوالب والمطبقات المهرة. كان التصنيع الإضافي ينتمي إلى النماذج الأولية والقواسين والبلاستيك التي كانت رخيصة ولكن ضعيفة. هذا الانفصال اختفى. ألياف الكربون في الطباعة ثلاثية الأبعاد هي الآن طريق إنتاج حقيقي ، وقد غيرت بهدوء ما يمكن للطابعة بناء.

السبب بسيط الطباعة تعطي حرية الهندسة، في حين أن ألياف الكربون تعطي صلابة وقوة. ضع الاثنين معا وتحصل على أجزاء خفيفة وصلبة وشكلية بطرق لا يمكن نسخها بسهولة. بالنسبة للصناعات التي تحتاج إلى هياكل مخصصة بأحجام منخفضة إلى متوسطة ، يصعب تجاهل هذا المزيج.

تغطي هذه المقالة كيفية استخدام ألياف الكربون في التصنيع الإضافي ، وأي أشكال مواد تعمل بشكل أفضل ، وأساليب الطباعة المهمة ، وما يجب على المشترين النظر فيه قبل تحديد الأجزاء المركبة المطبوعة.

1. لماذا تحتاج التصنيع الإضافي إلى مواد أكثر صلابة

خيوط الطباعة القياسية مثل PLA و PETG و ABS مريحة ، ولكن حدودها الميكانيكية تظهر بسرعة. قوس مطبوع ينحني. جهاز مطبوع ينجراف تحت الحمل. السكن المطبوع يزحف في ظروف دافئة. يصل المهندسون بسرعة إلى النقطة التي لا يمكن فيها الهندسة وحدها تعويض المادة الناعمة.

1.1 فجوة الصلابة في الأجزاء البلاستيكية

وحدة الشد للطباعة البلاستيكية الشائعة تقع في نطاق منخفض ، وغالبا ما يتراوح بين 2 و 3.5 GPa. الألومنيوم حوالي 70 GPa. تفسر هذه الفجوة لماذا تشعر الأجزاء البلاستيكية المطبوعة بالمرونة ولماذا نادراً ما تثق بها في واجباتها الهيكلية. إضافة ألياف الكربون لا تحول البلاستيك إلى معدن ، لكنها يمكن أن ترفع صلابة عدة مرات وقطع التوسع الحراري في نفس الوقت.

1.2 ما تغير ألياف الكربون في الواقع

تعزيز ألياف الكربون المقطوعة أو المستمرة يحسن ثلاثة أشياء في وقت واحد: الصلابة والاستقرار الأبعاد والقوة. تحتفظ الأجزاء بشكلها بشكل أفضل تحت الحمل ، وتشوه أقل عند التدفئة ، وتقاوم التشوه لفترة أطول. التفاوض هو أن المادة تصبح أكثر شحطا، وأكثر تكلفة، وأقل مغفرة للطباعة، وهذا هو السبب في أن التحكم في العملية مهمة أكثر من مع خيوط عادية.

2. الطرق الرئيسية للطباعة ثلاثية الأبعاد من ألياف الكربون

لا توجد طريقة واحدة لطباعة ألياف الكربون المركبة. تغطي أربعة أساليب معظم الاستخدامات الصناعية وورش العمل اليوم ، وكل منهم يناسب توازن مختلف بين التكلفة والقوة والتعقيد.

2.1 طباعة خيوط معززة بالألياف القصيرة

هذا هو الطريق الأكثر إمكانية الوصول إليه. يتم تجميع ألياف الكربون المقطوعة في حبة حرارية بلاستيكية ، ثم يتم طردها إلى خيوط لطباعات FDM. الأجزاء المصنوعة بهذه الطريقة أكثر صلابة وأكثر استقرارا من البلاستيك غير المعزز ، ومتطلبات المعدات متواضعة.

الحد هو طول الألياف والاتجاه. الألياف قصيرة وموزعة بشكل عشوائي ، لذلك فإن التعزيز موحد ولكن معتدل. هذا الطريق يناسب التركيبات والجهازات والإغلاقات والنماذج الأولية الوظيفية بدلا من الأعضاء الهيكلية الأساسية.

2.2 طباعة الألياف المستمرة

الطباعة المستمرة للألياف تغذي سحب ألياف الكربون الجافة أو خيط مسبقًا إلى جانب البلاستيك الحراري ، مما يضع ألياف طويلة بالضبط حيث يسافر الحمل. النتيجة هي هيكل مركب حقيقي بدلا من البلاستيك المملوء.

تقفز القوة والصلابة بشكل كبير مقارنة بالطباعة القصيرة للألياف ، لأن الألياف تحمل الحمل باستمرار. يمكن للمصممين محاذاة الألياف على طول محور الانحناء أو حول ثقب ، وهو المكان الذي تفشل فيه الأجزاء المطبوعة عادة. هذه الطريقة أبطأ وتحتاج إلى أجهزة مخصصة ، ولكن بالنسبة للأقوسين الهيكلية والإطارات المحمولة ، غالبا ما يكون الخيار المطبوع الوحيد الذي يعمل.

2.3 الكريات والطرد الكبير

الطابعات القائمة على الكريات تتخطى الخيوط بالكامل وتطرد الألياف الكربونية المعززة بالبلاستيك الحراري مباشرة من الكريات. تنخفض تكلفة المواد، وترتفع معدلات التراسب، ويزداد حجم الجزء. تنتج الآلات ذات الشكل الكبير في هذه الفئة القوالب والأدوات والهياكل الضخمة التي لن تكون عملية للطباعة بالخيوط.

2.4 الطباعة المركبة جنبا إلى جنب مع التصميم التقليدي

النهج الهجين يطبع نواة معززة بألياف الكربون أو هيكل داخلي ، ثم يطبق نسيج ألياف الكربون والراتنج باليد أو عن طريق ضخ الفراغ. هذا يجمع بين الحرية الهندسية للطباعة مع جزء كبير من حجم الألياف من العمل المركب الكلاسيكي. إنه شائع في الأدوات والنماذج الأولية والإنتاج المنخفض الحجم حيث يهم الأداء أكثر من وقت الدورة.

3. أشكال المواد التي تغذي العملية

تعتمد جودة المركبات المطبوعة بشكل كبير على المادة المدخلة. تخدم أشكال الألياف المختلفة استراتيجيات الطباعة المختلفة ، ويساعد فهمها المشترين على تحديد الصف الصحيح.

3.1 ألياف الكربون المقطوعة والطاحونة

ألياف الكربون المقطوعة والدرجات المطحونة هي حصان العمل لإنتاج الخيوط والحريات. يتم التحكم في طول الألياف أثناء القطع ، ويؤثر بشكل مباشر على الصلابة وسلوك التدفق والتشطيب السطحي. طباعة الألياف الأقصر بسهولة أكبر ، بينما تعزز الألياف الطويلة بشكل أفضل.

3.2 سحب مستمر وخيوط Prepreg

تعتمد طباعة الألياف المستمرة على سحب ألياف الكربون ، وأحياناً مملوءة مسبقاً بالراتنج. مواصفات السحب مثل عدد الخيوط وتوافق الحجم تحدد مدى ارتباط الألياف بالمصفوفة الحرارية البلاستيكية. اختيار السحب الذي يناسب حجمه البوليمر هو واحد من التفاصيل الأكثر إهمالا في العمل المركب المطبوع.

3.3 المواد الداعمة في نفس البناء

الأجزاء المركبة نادرا ما تكون مادة واحدة. تظهر ألياف الأراميد ومنتجات الألياف الأكسدة مسبقاً، بما في ذلك خيوط الألياف الأكسدة والشعور بالألياف الأكسدة، في مجموعات مطبوعة حيث يتطلب التسامح مع التأثير أو مقاومة اللهب أو العزل الحراري. على سبيل المثال ، قد يستخدم إطار الطائرات بدون طيار المطبوعة ألياف الكربون لتصلبة والأراميد للمناطق التي تتأثر.

4. حيث أجزاء ألياف الكربون المطبوعة تعمل بالفعل

لقد انتقلت التكنولوجيا من قطع التجربة. هذه التطبيقات تستخدم بانتظام اليوم.

4.1 أدوات، أجهزة، وتركيبات

يستخدم مهندسو التصنيع ألياف الكربون المطبوعة لمعدات الحفر ومعدات المحافظة ومقاييس التحقق ومساعدات التجميع. هذه الأجزاء غالبا ما تكون مرة واحدة أو حجم منخفض ، وتزيل الطباعة كل من تكلفة القالب ووقت التسليم. صلابة المادة المعززة تبقي التركيب دقيق من خلال الاستخدام المتكرر.

4.2 الفضاء والأنظمة غير المأهولة

تستفيد المركبات الجوية غير المأهولة وإطارات الطائرات بدون طيار ومكونات الأقمار الصناعية الصغيرة من ألياف الكربون المطبوعة لأن كل تكرار تصميم يغير الهندسة. تتيح الطباعة للفرق اختبار إطار جديد في أيام بدلاً من الانتظار للأدوات. توفير الوزن يترجم مباشرة إلى وقت الطيران وقدرة الحمولة المفيدة.

4.3 المعدات الطبية والأجهزة الاصطناعية

الهندسة المخصصة طبيعية في العمل الطبي. تستخدم ألياف الكربون المطبوعة للقذائف العظامية والمكونات الاصطناعية وإطارات تحديد الموقع وإكسسوارات التصوير حيث الصلابة وانخفاض الوزن والسلوك غير المغناطيسي مهم. حتى عندما يتم استبدال جزء مطبوع في وقت لاحق بنسخة إنتاج مصبوبة ، فإن الطباعة تقصر المسار من المسح إلى التركيب.

4.4 التنمية الصناعية والسيارات

تطبع فرق السيارات أدوات معززة بألياف الكربون ومقبضات نهاية الذراع وأجزاء هيكلية نموذجية أولية. تعتمد برامج السباقات ورياضة السيارات على المواد المركبة المطبوعة لقطع الاختبار الديناميكية الهوائية والقواسين الداخلية. في الإعدادات الصناعية ، تقلل مؤثرات نهاية الروبوت من ألياف الكربون المطبوعة من الكتلة المتحركة ، مما يحسن من وقت الدورة والدقة.

4.5 تطبيقات الطاقة والبحرية والرياضة

تطبع فرق طاقة الرياح أدوات مركبة وإدراجات شفرة. البناء البحريين يطبعون القوالب والتجهيزات التي تقاوم المياه المالحة. مطوري المعدات الرياضية يطبعون مكونات الدراجات النموذجية الأولية وشفرات الجذف وقذائف المعدات الوقائية. في كل حالة المنطق هو نفسه: هندسة مخصصة، أحجام متواضعة، والحاجة إلى صلابة دون وزن.

5. قواعد التصميم التي تتبعها المركبات المطبوعة

تصميم ألياف الكربون المطبوعة ليس نفس تصميم المركبات المصبوبة أو الطباعة البلاستيكية العادية. بعض المبادئ تحدد ما إذا كان الجزء ينجح أو يفشل.

5.1 مسار التحميل يأتي أولاً

مع الألياف المستمرة ، يتحكم المصمم في اتجاه الألياف ، لذلك يجب تحديد مسار الحمل قبل الانتهاء من الهندسة. يجب أن تتبع الألياف اتجاه التوتر للجزء. قد يكون قوس قوي في اتجاه واحد ضعيف في اتجاه آخر ، وسوف تعيد الطابعة إنتاج هذا التنوع بالضبط كما تم تصميمه.

5.2 توجيه الطبقة و Anisotropy

الأجزاء المطبوعة أضعف بين الطبقات. أي تصميم يضع الحمل الرئيسي عبر حدود الطبقة يدعو إلى التجزئة. عادة ما يحل تدوير اتجاه البناء أو إضافة حلقات الألياف المستمرة حول المنطقة الحرجة ، وينبغي تسوية هذا الاعتبار أثناء مراجعة التصميم بدلا من بعد الفشل الأول.

5.3 سمك الجدار ومحتوى الألياف

الجدران السميكة ومحتوى الألياف العالي على حد سواء تزيد من الصلابة ، لكنها تزيد أيضًا من وقت الطباعة وخطر الفراغ. هناك مجموعة عملية لكل طابعة ومواد ، وعادة ما ينتج تجاوزها عيوب داخلية تقلل من المكاسب.

5.4 فوهة التآكل والتحكم في العملية

ألياف الكربون كاشحة. فوهات النحاس القياسية تتلابس بسرعة ، ومكونات الصلب أو الكربيد الصلبة هي القاعدة. يجب ضبط درجة حرارة الطباعة ومعدل التدفق والتبريد للمواد المعززة وتجفيف المواد الخيوطية بشكل متسق أكثر مما يتوقعه معظم المشغلين.

6. مقارنة المركبات المطبوعة مع التصنيع المركب التقليدي

لم تحل الطباعة محل التخطيط أو التسرب أو التسرب. يحتل موقعا مختلفا، وعادة ما ينخفض الاختيار إلى الحجم والهندسة.

6.1 حيث تفوز الطباعة

الطباعة تفوز عندما تكون الهندسة معقدة، أو تكون الأحجام منخفضة، أو تكون تغييرات التصميم متكررة، أو لا يمكن صب الجزء ببساطة. لا تكلفة الأدوات ، والتكرار السريع ، والميزات المتكاملة مثل القنوات والرؤساء وهياكل الشبكة هي مزايا حقيقية لا يمكن للأساليب التقليدية أن تتطابق اقتصادياً بحجم منخفض.

6.2 حيث لا تزال المركبات التقليدية تؤدي

لا تزال الأساليب التقليدية تهيمن حيث يجب أن تكون نسبة حجم الألياف عالية ، حيث تتطلب جودة الأوتوكلاف ، أو حيث يتم إنتاج الهياكل المستمرة الكبيرة مثل هياكل القوارب وشفرات الرياح وألواح الطائرات. كما توفر ملامح الألياف الكربونية المقطوعة وأجزاء ما قبل التقطيع المعدة بالضغط اتساقا لم تتطابقه الطباعة بعد على نطاق واسع.

6.3 استخدام كلاهما في نفس البرنامج

غالبا ما يتم الجمع بين الاستراتيجية الأكثر عملية. تطبع الفرق أدوات ألياف الكربون لإنتاج أجزاء مركبة تقليدية ، وطباعة هياكل النموذج الأولي للاختبار ، ثم الانتقال إلى الإنتاج المصبوب أو المصبوب بمجرد إصلاح التصميم. كل طريقة تفعل ما هو أفضل.

7. ما يجب على المشترين أن يسألوا قبل تحديد ألياف الكربون المطبوعة

شراء أجزاء مركبة مطبوعة أو المواد التي تغذيها تتطلب نفس الانضباط مثل أي قرار مصدر مركب.

7.1 شكل الألياف والدرجة

اسأل ما إذا كان الجزء يستخدم الألياف المقطوعة أو الألياف المطحونة أو السحب المستمر. الإجابة تحدد الصلابة المحققة أكثر من أي عامل آخر. اطلب المحتوى الاسمي من الألياف والبوليمر الأساسي، لأن كلاهما يؤثر على الأداء والسعر.

7.2 البيانات الميكانيكية وطريقة الاختبار

المركبات المطبوعة هي أنيسوتروبية ، لذلك لا يكفي عدد الشد الواحد. ابحث عن البيانات في اتجاهات متعددة، وعند الاقتضاء، الخصائص interlaminar. الموردين الذين يفهمون المواد المركبة المطبوعة سيوفرون بيانات واعية بالاتجاه بدلا من ورقة مواد عامة.

7.3 الاتساق بين الدفعات

توزيع طول الألياف والحجم ومحتوى الرطوبة كلها تؤثر على قابلية الطباعة. الاتساق بين الدفعات مهم أكثر في الطباعة من العديد من العمليات الأخرى ، لأن التغييرات الصغيرة تنتشر مباشرة إلى الجزء النهائي.

7.4 الدعم والتطبيق المشورة

تتفاعل المادة والعملية. المورد الذي يمكنه تقديم المشورة حول شكل الألياف وتوافق الحجم ومعلمات الطباعة يقصر دورة التطوير بشكل كبير ، خاصة بالنسبة للفرق الجديدة في الطباعة المركبة.

8. التوقعات: تصبح المركبات المطبوعة خيار قياسي

اتجاه السفر واضح. أصبحت أجهزة الطابعة أسرع وأكبر ، وأصبحت أنظمة الألياف المستمرة أكثر قدرة ، ويقدم موردو المواد مجموعة أوسع من الدرجات المعززة. ومع تحسن هذه الأساليب، سينتقل ألياف الكربون المطبوعة من محلات النماذج الأولية إلى الإنتاج المنتظم لقائمة متزايدة من الأجزاء.

بالنسبة لصناعة المواد المركبة ، هذا إضافي بدلا من التنافسية. يفتح التصنيع الإضافي طريقًا جديدًا لمنتجات ألياف الكربون ، حيث لا تحتاج الألياف إلى قالب لتصبح هيكلًا نهائيًا. وهذا يوسع السوق بدلاً من تقسيمها.

شنغهاي تانشين تكنولوجيا المواد الجديدة تزود ألياف الكربون ومواد الأراميد بأشكال تناسب كل من التصنيع المركب التقليدي وتطوير المركب المطبوع ، بما في ذلك سحب ألياف الكربون ، ألياف الكربون المقطوعة ، نسيج ألياف الكربون ، ألياف الكربون المسبقة ، ألياف الأراميد ، خيوط الألياف المسبقة الأكسدة ، وشعرت الألياف المسبقة الأكسدة. الفرق العاملة على الطباعة ثلاثية الأبعاد من ألياف الكربون ، والأدوات المركبة ، أو الأجزاء الهيكلية المطبوعة مرحب بها في الاتصال بنا لاختيار المواد ودعم الاقتباس.

استكشف مجموعة منتجات ألياف الكربون والألياف المتخصصة لدينا ، أو ارسل تفاصيل طلبك حتى نتمكن من التوصية باستمارة الألياف المناسبة لمشروع المركب المطبوع الخاص بك.