Uhlíkové vlákno v 3D tisku: Jak aditivní výroba přetváří kompozitní díly

Uhlíkové vlákno v 3D tisku: kde se aditivní výroba setkává s vysoce výkonnými kompozity

Po léta žily uhlíkové vlákno a 3D tisk v oddělených světech. Kompozity patřily autoklávům, formám a kvalifikovaným laminátorům. Aditivní výroba patřila k prototypům, držákům a plastům, které byly levné, ale slabé. Toto oddělení je pryč. Uhlíkové vlákno v 3D tisku je nyní skutečnou výrobní cestou a tiše změnilo to, co může tiskárna vyrobit.

Důvod je jednoduchý. Tisk dává svobodu geometrie, zatímco uhlíkové vlákno dává tuhost a pevnost. Dávejte oba dohromady a získáte části, které jsou lehké, tuhé a tvarované způsobem, který tvarování nemůže snadno kopírovat. Pro odvětví, které potřebují zakázkové struktury v nízkých až středních objemech, je tato kombinace obtížné ignorovat.

Tento článek pokrývá, jak se uhlíkové vlákno používá v aditivní výrobě, které formy materiálu fungují nejlépe, tiskové metody, které jsou důležité, a co by měli kupující zvážit před specifikací tištěných kompozitních dílů.

1. Proč aditivní výroba potřebovala tuhší materiál

Standardní tiskové vlákna, jako jsou PLA, PETG a ABS, jsou pohodlná, ale jejich mechanické limity se objevují rychle. Tištěný držák se ohýbá. Tištěný jig se pohybuje pod zatížením. Tištěné pouzdro se plazí v teplých podmínkách. Inženýři rychle dosáhnou bodu, kde sama geometrie nemůže kompenzovat měkký materiál.

1.1 Mezera tuhosti v plastových dílech

Modul tažení pro běžné tiskové plasty je v nízkém rozsahu, často mezi 2 a 3,5 GPa. Hliník je zhruba 70 GPa. Tato mezera vysvětluje, proč se tištěné plastové díly cítí pružné a proč se jim zřídka důvěřuje při konstrukčních pracích. Přidání uhlíkových vláken nemění plast na kov, ale může několikrát zvýšit tuhost a zároveň snížit tepelnou expanzi.

1.2 Co se vlastně mění uhlíkové vlákno

Vyztoužení z nasekaných nebo kontinuálních uhlíkových vláken zlepšuje tři věci najednou: tuhost, rozměrovou stabilitu a pevnost. Díly udržují svůj tvar lépe pod zatížením, při ohřívání méně zkřivují a delší dobu odolávají deformaci. Kompromisem je, že materiál se stává abrazivnějším, dražším a méně odpustným k tisku, což je důvod, proč je kontrola procesu důležitější než u obyčejných vláken.

2. Hlavní cesty k 3D tisku z uhlíkových vláken

Neexistuje žádný jediný způsob, jak tisknout kompozity z uhlíkových vláken. Čtyři přístupy pokrývají dnes většinu průmyslových a dílnych použití a každý z nich odpovídá odlišné rovnováhě nákladů, síly a složitosti.

2.1 Krátké vlákno vyztužené vlákno tisk

Je to nejpřístupnější trasa. Nasekané uhlíkové vlákno je složeno do termoplastické pelety a poté extrudováno do vlákna pro tiskárny FDM. Díly vyrobené tímto způsobem jsou tuhší a stabilnější než nevyzpevněný plast a požadavky na vybavení jsou skromné.

Omezení je délka vlákna a orientace. Vlákna jsou krátká a náhodně rozdělená, takže výztuza je jednotná, ale mírná. Tato trasa je vhodná pro armatury, jigy, pouzdra a funkční prototypy spíše než pro primární konstrukční členy.

2.2 Kontinuální tisk z vláken

Kontinuální tisk vláken napájí suché uhlíkové vlákno nebo předem impregnované vlákno vedle termoplastu, čímž klade dlouhá vlákna přesně tam, kde se zatížení pohybuje. Výsledkem je skutečná kompozitní struktura spíše než plněný plast.

V porovnání s krátkým vláknovým tiskem výrazně skočí pevnost a tuhost, protože vlákno nepřetržitě nosí zatížení. Návrháři mohou vyrovnat vlákna podél ohybové osy nebo kolem otvoru, kde se obvykle selhají tištěné části. Tato metoda je pomalejší a vyžaduje speciální hardware, ale pro konstrukční držáky a nosné rámy je to často jediná tištěná možnost, která funguje.

2.3 Peletová a velkoformátová extruze

Tiskárny na bázi peletů úplně přeskočí vlákno a vytlačí termoplast vyztužený uhlíkovými vlákny přímo z peletů. Náklady na materiál klesají, míra ukládání se zvyšuje a velikost dílu roste. Velkoformátní stroje v této kategorii vyrábějí formy, nástroje a nadměrné konstrukce, které by nebyly praktické k tisku vláknem.

2.4 Kompozitní tisk v kombinaci s tradičním uspořádáním

Hybridní přístup vytiskne jádro nebo vnitřní kostru vyztužené uhlíkovými vlákny a poté překrývá uhlíkové vlákno a pryskyřici ručně nebo vakuovou infuzí. To kombinuje geometrickou svobodu tisku s vysokým objemem vláken klasické kompozitní práce. Je běžné v nástrojích, prototypech a nízkoobjemové výrobě, kde je výkon důležitější než doba cyklu.

3. Materiální formy, které krmí proces

Kvalita tištěné kompozity závisí silně na vstupním materiálu. Různé formy vláken slouží různým tiskovým strategiím a porozumění jim pomáhá kupujícím určit správnou třídu.

3.1 Nasekané a mleté uhlíkové vlákno

Nasekaná uhlíková vlákna a frézované třídy jsou pracovními koněmi výroby vláken a peletů. Délka vlákna je kontrolována během řezání a přímo ovlivňuje tuhost, chování proudění a povrchovou úpravu. Krátká vlákna tisknou snadněji, zatímco delší vlákna lepší posilují.

3.2 Kontinuální tažení a předpregovací prameny

Kontinuální tisk z vláken se spoléhá na vlek z uhlíkových vláken, někdy předem impregnovaný pryskyřicí. Specifikace vleku, jako je počet vláken a kompatibilita velikostí, určují, jak dobře se vlákna vážou na termoplastickou matrici. Výběr vleku, jehož velikost vyhovuje polymeru, je jedním z nejčastěji přehlížených detailů v tištěné kompozitní práci.

3.3 Podporové materiály ve stejné konstrukci

Kompozitní části jsou zřídka jedním materiálem. Aramidové vlákno a produkty z předoxidovaných vláken, včetně příze z oxidovaných vláken a filce z oxidovaných vláken, se objevují v tištěných sestavách, kde je potřeba odolnost vůči nárazu, odolnost proti plamenu nebo tepelná izolace. Tisknutý rám dronu může například použít uhlíkové vlákno pro tuhost a aramid pro oblasti, které dopadají.

4. Tam, kde tištěné části z uhlíkových vláken již pracují

Technologie se přesunula přes demonstrační kousky. Tyto aplikace se dnes běžně používají.

4.1 Nástroje, jigy a upevnění

Výrobní inženýři používají tištěné uhlíkové vlákno pro vrtačky, vyrovnávací zařízení, kontrolní měřiče a montážní pomůcky. Tyto části jsou často jednorázové nebo s nízkým objemem a tisk odstraňuje jak náklady na formu, tak dobu dodávky. Tudnost vyztuženého materiálu udržuje fixaci přesnou při opakovaném použití.

4.2 Aerospace a bezpilotní systémy

Bezpilotní letadla, rámy dronů a malé satelitní komponenty těží z tištěného uhlíkového vlákna, protože každá iterace návrhu mění geometrii. Tisk umožňuje týmům testovat nový rámec za několik dní místo čekání na nástroje. Úspora hmotnosti se překládá přímo na dobu letu a užitečnou zatížení.

4.3 Lékařské vybavení a protézy

Zakázková geometrie je normální v lékařské práci. Tisknuté uhlíkové vlákno se používá pro ortotické skořápky, protézní komponenty, polohovací rámy a zobrazovací příslušenství, kde je důležitá tuhost, nízká hmotnost a nemagnetické chování. I když je tištěná část později nahrazena formovanou výrobní verzí, tisk zkracuje cestu od skenování k montáži.

4.4 Průmyslový a automobilový vývoj

Automobilové týmy tisknou nástroje vyztužené uhlíkovými vlákny, uchytníky na konci ramena a prototypy konstrukčních dílů. Závodní a motoristické programy se spoléhají na tištěné kompozity pro aerodynamické zkoušky a vnitřní držáky. V průmyslových prostředích se tištěné koncové efektory robotů z uhlíkových vláken snižují pohybující se hmota, což zlepšuje dobu cyklu a přesnost.

4.5 Energetické, námořní a sportovní aplikace

Týmy větrné energie tisknou kompozitní nástroje a čepele. Námořní stavebníci tisknou formy a příslušenství, které odolávají slané vodě. Vývojáři sportovního vybavení tisknou prototypové komponenty kol, pádlové čepele a kryty ochranného vybavení. V každém případě je logika stejná: vlastní geometrie, skromné objemy a potřeba tuhosti bez váhy.

5. Pravidla návrhu, která tištěné kompozity dodržují

Navrhování pro tištěné uhlíkové vlákno není stejné jako navrhování pro lisované kompozity nebo pro jednoduchý plastový tisk. Několik principů rozhoduje, zda část funguje nebo selže.

5.1 Cesta zatížení je první

S kontinuálním vláknem kontroluje návrhář směr vlákna, takže by měla být definována cesta zatížení před dokončením geometrie. Vlákno by mělo sledovat směr napětí části. Držák, který je silný v jednom směru, může být slabý v jiném a tiskárna reprodukuje tuto anisotropii přesně tak, jak je navržena.

5.2 Orientace vrstvy a anisotropie

Tisknuté části jsou mezi vrstvami nejslabší. Jakýkoliv design, který předkládá hlavní zatížení přes hranice vrstvy, vyzývá k delaminaci. Otáčení orientace stavby nebo přidání nepřetržitých smyček vláken kolem kritické oblasti to obvykle vyřeší a tato úvaha by měla být řešena během přezkoumání návrhu spíše než po prvním selhání.

5.3 Tloušťka stěny a obsah vláken

Tloužší stěny a vyšší obsah vláken zvyšují tuhost, ale také zvyšují čas tisku a riziko prázdnot. Existuje praktický rozsah pro každou tiskárnu a materiál, a jít za to obvykle produkuje vnitřní vady, které snižují zisk.

5.4 Kontrola opotřebení trysky a procesu

Uhlíkové vlákno je abrazivní. Standardní mosazné trysky se rychle opotřebují a komponenty z tvrzené oceli nebo karbidu jsou normou. Teplota tisku, průtok a chlazení musí být nastaveny pro vyztužený materiál a konzistentní sušení vláken více, než většina operátorů očekává.

6. Porovnání tištěných kompozitů s tradiční výrobou kompozitů

Tisk nenahradil uspořádání, infuzi nebo pultrusi. Zabírá jinou polohu a volba se obvykle skládá na objemu a geometrii.

6.1 Kde vyhrává tisk

Tisk vyhrává, když je geometrie složitá, objemy jsou nízké, změny návrhu jsou časté nebo díl prostě nelze formovat. Žádné náklady na nástroje, rychlá iterace a integrované funkce, jako jsou kanály, šéfové a mřížkové struktury, jsou skutečnými výhodami, které tradiční metody nemůžou ekonomicky odpovídat při nízkém objemu.

6.2 Kde tradiční kompozity stále vedou

Tradiční metody stále dominují tam, kde musí být objemová frakce vlákna vysoká, kde je požadována kvalita autoklávu nebo kde se vyrábějí velké nepřetržité konstrukce, jako jsou trupy lodí, větrné lopaty a panely letadel. Pultrudované profily z uhlíkových vláken a lisované prepregové části také přinášejí konzistenci, kterou tisk dosud nesrovnal v měřítku.

6.3 Používání obou ve stejném programu

Nejpraktičtější strategie je často kombinována. Týmy tisknou nástroje z uhlíkových vláken pro výrobu tradičních kompozitních dílů, tisknou prototypové konstrukce pro testování a poté se po opravě návrhu přesunují na lisovanou nebo pultrudovanou výrobu. Každá metoda dělá to, co je nejlepší.

7. Co by se měli kupující zeptat před specifikací tištěného uhlíkového vlákna

Nákup tištěných kompozitních dílů nebo materiálu, který je napájí, vyžaduje stejnou disciplínu jako jakékoli rozhodnutí o získávání kompozitních dílů.

7.1 Formy a třídy vláken

Zeptejte se, zda díl používá nasekané vlákno, frézované vlákno nebo kontinuální tah. Odpověď určuje dosažitelnou tuhost více než jakýkoliv jiný faktor. Požádejte o nominální obsah vláken a základní polymer, protože oba ovlivňují výkon a cenu.

7.2 Mechanické údaje a zkušební metoda

Tisknuté kompozity jsou anisotropní, takže jedno číslo tažení nestačí. Vyhledejte data ve více směrech a, pokud je to relevantní, interlaminární vlastnosti. Dodavatelé, kteří rozumí tištěným kompozitům, budou poskytovat orientační údaje spíše než obecný materiálový list.

7.3 Soudržnost mezi dávkami

Rozložení délky vlákna, velikost a obsah vlhkosti ovlivňují tiskovatelnost. Konzistence mezi dávkami je v tisku důležitější než v mnoha jiných procesech, protože se malé změny šíří přímo do hotového dílu.

7.4 Podpora a poradenství pro aplikace

Materiál a proces jsou v interakci. Dodavatel, který dokáže poradit o formě vláken, kompatibilitě velikostí a parametrech tisku, výrazně zkracuje vývojový cyklus, zejména pro týmy, které jsou nové k kompozitnímu tisku.

8. Outlook: Tisknuté kompozity se stávají standardní volbou

Směr cesty je jasný. Hardware tiskáren je stále rychlejší a větší, systémy kontinuálních vláken jsou stále schopnější a dodavatelé materiálů nabízejí širší škálu vyztužených tříd. Jak se zlepší, tištěné uhlíkové vlákno se přesune z prototypových obchodů do běžné výroby pro rostoucí seznam dílů.

Pro kompozitní průmysl je to spíše aditivní než konkurenční. Aditivní výroba otevírá novou cestu pro výrobky z uhlíkových vláken, kde vlákno nepotřebuje formu, aby se stalo hotovou strukturou. To rozšiřuje trh spíše než ho rozděluje.

Shanghai Tanchain New Material Technology dodává uhlíkové vlákno a aramidové materiály ve formách, které vyhovují jak tradiční výrobě kompozitů, tak i vývoji tištěných kompozitů, včetně tahu z uhlíkových vláken, nasekaných uhlíkových vláken, tkanin z uhlíkových vláken, prepregu z uhlíkových vláken, aramidových vláken, předoxidovaných vláken a předoxidovaných vláken. Týmy pracující na 3D tisku z uhlíkových vláken, kompozitních nástrojích nebo tištěných konstrukčních dílech nás mohou kontaktovat pro výběr materiálu a podporu nabídky.

Prozkoumejte naši řadu produktů z uhlíkových vláken a speciálních vláken nebo pošlete podrobnosti o vaší žádosti, abychom vám mohli doporučit správný formulář z vláken pro váš projekt tištěné kompozity.