Süsinikkiu 3D-trükkimises: kuidas lisatööstus muudab komposiitsosi

Süsinikkiu 3D-trükkimises: kus lisandtootmine kohtub kõrge jõudlusega komposiitidega

Aastate jooksul elasid süsinikkiu ja 3D-trükk eraldi maailmades. Komposiidid kuulusid autoklaavidele, hallitustele ja kvalifitseeritud laminaatoritele. Additiivne tootmine kuulus prototüüpidele, sulgudele ja plastidele, mis olid odavad, kuid nõrgad. See eraldus on läinud. Süsinikkiud 3D-trükkimises on nüüd tõeline tootmismarsruut ja see on vaikselt muutnud, mida printer saab ehitada.

Põhjus on lihtne. Trükkimine annab geomeetria vabaduse, samas kui süsinikkiu annab jäikust ja tugevust. Pange need kaks kokku ja saate osad, mis on kerged, jäik ja kujundatud viisil, et vormimine ei saa kergesti kopeerida. Tööstustel, mis vajavad kohandatud struktuure väikestes kuni keskmistes kogustes, on seda kombinatsiooni raske ignoreerida.

See artikkel käsitleb, kuidas süsinikkiut kasutatakse lisatoodangus, millised materjalivormid töötavad kõige paremini, olulised trükkimismeetodid ja mida ostjad peaksid enne trükitud komposiitosade määramist kaaluma.

1. Miks lisandtootmine vajas jäigemat materjali

Standardsed trükkiniud nagu PLA, PETG ja ABS on mugavad, kuid nende mehaanilised piirid ilmuvad kiiresti. Trükitud kinnistus paindub. Trükitud jig triivib koormuse all. Trükitud korpus hiilib soojades tingimustes. Insenerid jõuavad kiiresti punkti, kus ainult geomeetria ei saa pehmet materjali kompenseerida.

1.1 Plastiosade jäikus

Tavaliste trükiplastide tõmbemoodul on madalas vahemikus, sageli 2 kuni 3,5 GPa vahel. Alumiinium on umbes 70 GPa. See lünk selgitab, miks trükitud plastosad tunduvad paindlikud ja miks neid harva usaldatakse struktuurilise töö eest. Süsinikkiu lisamine ei muuda plasti metalliks, kuid see võib tõsta jäikust mitu korda ja vähendada soojuslaienemist samal ajal.

1.2 Mis süsinikkiud tegelikult muutub

Tükkitud või pidev süsinikkiu tugevdamine parandab kolme asja korraga: jäikust, mõõtmete stabiilsust ja tugevust. Osad hoiavad oma kuju paremini koormuse all, küttemise korral vähem kurvata ja kestavad deformatsiooni kauem. Kompromiss on see, et materjal muutub abrasiivsemaks, kallimaks ja trükkimiseks vähem andestavaks, mistõttu on protsessijuhtimine olulisem kui lihtne niit.

2. Süsinikkiu 3D-trükkimise peamised teed

Süsinikkiu komposiitide printimiseks ei ole ühtegi võimalust. Neli lähenemisviisi hõlmavad tänapäeva enamikku tööstuslikku ja töötoakasutust ning igaüks sobib erinevale tasakaalule kulude, tugevuse ja keerukuse vahel.

2.1 lühikese kiudude tugevdatud niit trükkimine

See on kõige kättesaadavam tee. Lahutatud süsinikkiu ühendatakse termoplastiliseks pelletiks ja seejärel ekstrudeeritakse FDM-printerite jaoks filamendiks. Sellisel viisil valmistatud osad on jäiksemad ja stabiilsemad kui tugevdamata plast ning seadmete nõuded on tagasihoidlikud.

Piirang on kiudude pikkus ja suundumine. Kiud on lühikesed ja juhuslikult jaotatud, nii et tugevdus on ühtlane, kuid mõõdukas. See marsruut sobib pigem kinnitusseadmetele, jigidele, korpustele ja funktsionaalsetele prototüüpidele kui põhistruktuurilistele liikmetele.

2.2 Pidev kiudude trükkimine

Pidev kiudrükkimine toidab termoplastilise kõrval kuiva süsinikkiu vedu või eelimpregneeritud lõigu, panedes pikad kiud täpselt sinna, kuhu koormus liikub. Tulemuseks on tõeline komposiitskonstruktsioon, mitte täidetud plast.

Tugevus ja jäikus hüppavad dramaatiliselt võrreldes lühikese kiudude trükkimisega, sest kiud kannab pidevalt koormust. Disainerid saavad kiudud joondada mööda painutamise telje või auku ümber, kus trükitud osad tavaliselt ebaõnnestuvad. See meetod on aeglasem ja vajab spetsiaalset riistvarat, kuid struktuurilistele sulgudele ja kandjatele raamidele on see sageli ainus trükitud võimalus, mis töötab.

2.3 Pelletid ja suurformaatlik ekstrudeerimine

Pelletipõhised printerid jätavad filamendi täielikult välja ja ekstrudeerivad süsinikkiuduga tugevdatud termoplasti otse pelletidest. Materjalikulud langevad, laotumismäär suureneb ja osa suurus kasvab. Selles kategoorias olevad suureformaatlikud masinad toodavad vorme, tööriistu ja ülesuureid struktuure, mida oleks ebapraktiline trükkida niitega.

2.4 Komposittrükkimine koos traditsioonilise paigutusega

Hübriidlähenemisviis trükib süsinikkiust tugevdatud tuuma või sisemise skeleti, seejärel kattub süsinikkiust kangast ja vaigu käsitsi või vaakuminfusiooniga. See ühendab geomeetrilise trükivabaduse klassikalise komposiiditöö suurte kiudude mahuga. See on levinud tööriistade, prototüüpide ja väikese mahuga tootmisel, kus jõudlus on olulisem kui tsükli aeg.

3. Materjalised vormid, mis toidavad protsessi

Trükitud komposiidi kvaliteet sõltub suuresti sisendi materjalist. Erinevad kiudude vormid teenivad erinevaid trükkimisstrateegiaid ja nende mõistmine aitab ostjatel määrata õige klassi.

3.1 Lahutatud ja jahvatatud süsinikkiud

Lahutatud süsinikkiu ja jahvatatud klassid on niit- ja pelletit tootmise tööhobused. Kiu pikkus kontrollitakse lõikamise ajal ja see mõjutab otseselt jäikust, voolukäitumist ja pinna viimistlust. Lühimad kiud trükivad lihtsamalt, samas kui pikemad kiud tugevdavad paremini.

3.2 Pidev vedamine ja ettevalmistamine

Pidev kiudtrukimine tugineb süsinikkiudu tõmbamisele, mis on mõnikord eelnevalt vaiguga impregneeritud. Voodi spetsifikatsioonid, nagu filamendi arv ja suuruse ühilduvus, määravad kindlaks, kui hästi kiud seondub termoplastilise maatriksiga.

3.3 Toetusmaterjalid samas ehituses

Kompositosad on harva üks materjal. Aramiidkiud ja eeloksideeritud kiud tooted, sealhulgas oksideeritud kiudlang ja oksideeritud kiud vilt, ilmuvad trükitud komplektides, kus on vaja löögitulemist, leegikindlust või soojusisolatsiooni. Näiteks trükitud drooni raam võib kasutada süsinikkiud jäikuse ja aramiidi jaoks piirkondades, mis löövad.

4. Kui trükitud süsinikkiu osad juba töötavad

Tehnoloogia on liikunud mööda demonstratsiooni tükki. Need rakendused on tänapäeval regulaarselt kasutusel.

4.1 Tööriistad, jigid ja kinnitusseadmed

Tootmise insenerid kasutavad trükitud süsinikkiudu puuriseadmeteks, joondamisseadmeteks, kontrollimõõtmeteks ja monteerimisvahenditeks. Need osad on sageli ühekordsed või väikesed ning trükkimine eemaldab nii hallituse kulu kui ka tööaja. Tugevdatud materjali jäikus hoiab kinnitusseadme täpseks korduva kasutamise kaudu.

4.2 Aerospace ja mehitamata süsteemid

Mehtamata õhusõidukid, droonide raamid ja väikesed satelliitkomponendid saavad kasu trükitud süsinikkiust, sest iga disaini iteratsioon muudab geomeetriat. Trükkimine võimaldab meeskondadel testida uut raami päevadega selle asemel, et oodata tööriistu. Kaalu sääst tähendab otse lenduaja ja kasuliku koormuse võimsust.

4.3 Meditsiiniseadmed ja proteesid

Kliinilises töös on normaalne kohandatud geomeetria. Trükitud süsinikkiud kasutatakse ortootiliste keste, proteeside komponentide, positsioneerimisraamide ja pildistamise tarvikute jaoks, kus jäikus, madal kaal ja mittemagneetiline käitumine on olulised. Isegi juhul, kui trükitud osa hiljem asendatakse vormitud tootmisversiooniga, lühendab trükkimine teed skaneerimisest paigaldamiseni.

4.4 Tööstus- ja autotööstusareng

Autode meeskonnad trükivad süsinikkiust tugevdatud tööriistu, käe otsa haarikuid ja prototüüpe konstruktsiooniosasid. Võidusõidu- ja mootorspordiprogrammid tuginevad trükitud komposiitidele aerodünaamiliste katsetajate ja sisemiste sulgude jaoks. Tööstuslikes seadetes vähendavad trükitud süsinikkiudrobotide lõppefektorid liikuvat massi, mis parandab tsükli aega ja täpsust.

4.5 Energia-, merendus- ja spordirakendused

Tuuleenergia meeskonnad trükivad komposiitriistad ja terad. Mere ehitajad trükivad vorme ja fitinguid, mis vastustavad soolasele veele. Spordiseadmete arendajad trükivad jalgratta prototüüpide komponente, sõidulehti ja kaitsevahendite keste. Igal juhul on loogika sama: kohandatud geomeetria, tagasihoidlikud mahud ja vajadus jäikust ilma kaaluta.

5. Disaini reeglid, mida trükitud komposiidid järgivad

Trükitud süsinikkiu projekteerimine ei ole sama, mis vormitud komposiitide või tavalise plasti trükkimise projekteerimine. Mõned põhimõtted otsustavad, kas osa toimib või ebaõnnestub.

5.1 Laadimise tee tuleb esimesena

Pideva kiudude abil kontrollib disainer kiudude suunda, nii et koormuse tee tuleks enne geomeetria lõpuleviimist määrata. Kiu peaks järgima osa pinge suunda. Ühes suunas tugev kinnistus võib olla teises nõrk ja printer reprodutseerib selle anisotroopia täpselt nii, nagu see on projekteeritud.

5.2 Kihi orientatsioon ja anisotroopia

Trükitud osad on kihtide vahel kõige nõrgemad. Iga disain, mis paneb peakoormuse üle kihi piiride, kutsub delamineerimist. Ehituse orientatsiooni pöörlemine või pidevate kiudude silmikute lisamine kriitilise piirkonna ümber lahendab seda tavaliselt ja seda kaalutlust tuleks lahendada projekteerimise läbivaatamise ajal, mitte pärast esimest viga.

5.3 Seina paksus ja kiudude sisaldus

Paksemad seinad ja suurem kiudude sisaldus suurendavad nii jäikust, kui ka printimisaega ja tühjuste ohtu. Iga printeri ja materjali jaoks on praktiline valik ja sellest kaugemale minemine toodab tavaliselt sisemisi defekte, mis vähendavad kasumit.

5.4 Pihusti kulumine ja protsessijuhtimine

Süsinikkiu on abrasiivne. Standardsed messingist pihustid kuluvad kiiresti ja karmistatud terasest või karbidist on norm. Trükitemperatuur, voolukiirus ja jahutus peavad olema seadistatud tugevdatud materjali jaoks ja niitmaterjalide järjepidev kuivamine rohkem kui enamik käitajaid ootavad.

6. Trükitud komposiitide võrdlus traditsioonilise komposiidi tootmisega

Trükkimine ei ole asendanud paigaldamist, infusiooni ega pultrusiooni. See hõlmab erinevat positsiooni ja valik ulatub tavaliselt mahtu ja geomeetriasse.

6.1 Kus trükkimine võidab

Trükkimine võidab, kui geomeetria on keeruline, maht on väike, disaini muutused on sagedased või osa lihtsalt ei saa vormida. Tööriistade kulu puudumine, kiire iteratsioon ja integreeritud funktsioonid, nagu kanalid, bossid ja võrgustiku struktuurid, on tõelised eelised, mida traditsioonilised meetodid ei saa väikese mahuga majanduslikult võrrelda.

6.2 Kus traditsioonilised komposiidid endiselt juhtivad

Traditsioonilised meetodid domineerivad endiselt, kui kiudude maht peab olema kõrge, kui on vaja autoklaavi kvaliteeti või kui toodetakse suuri pidevaid struktuure, nagu laevakerjad, tuulterad ja õhusõidukite paneelid. Pultrudeeritud süsinikkiudprofiilid ja pressitud prepreg-osad annavad ka konsistentsuse, mida trükkimine ei ole veel skaalal sobitanud.

6.3 Mõlema kasutamine samas programmis

Kõige praktilisem strateegia on sageli kombineeritud. Meeskonnad trükivad süsinikkiust tööriistu traditsiooniliste komposiitsosade tootmiseks, trükivad prototüüpistruktuure katsetamiseks ja liiguvad seejärel vormitud või pultrudeeritud tootmisse, kui disain on kinnitatud. Iga meetod teeb seda, mis on parim.

7. Mida ostjad peaksid küsima enne trükitud süsinikkiu määramist

Trükitud komposiitsosade või nende toitmise materjali ostmine nõuab sama distsipliini kui mis tahes komposiidi hankimise otsus.

7.1 Kiu vorm ja klassi

Küsi, kas osa kasutab lõikatud kiudu, jahvatatud kiudu või pidevat vedamist. Vastus määrab saavutatava jäikuse rohkem kui mis tahes muu tegur. Nõudke nominaalset kiudude sisaldust ja aluspolümeeri, sest mõlemad mõjutavad jõudlust ja hinda.

7.2 Mehhaanilised andmed ja katsemeetod

Trükitud komposiidid on anisotroopilised, nii et ühest tõmbearvust ei piisa. Otsige andmeid mitmes suunas ja vajaduse korral interlaminaarseid omadusi. Tarnijad, kes mõistavad trükitud komposiite, annavad orientatsiooniteadlikke andmeid, mitte üldist materjalilehte.

7.3 Partiide vaheline järjepidevus

Kiu pikkuse jaotus, suurus ja niiskuse sisaldus mõjutavad printimisvõimet. Partii-partii järjepidevus on printimisel olulisem kui paljudes teistes protsessides, sest väikesed muutused levivad otse valmis osasse.

7.4 Toetus ja rakenduse nõustamine

Materjal ja protsess suhtlevad. Tarnija, kes saab nõustada kiudude vormi, suuruse ühilduvuse ja trükiparameetrite kohta, lühendab oluliselt arendustsüklit, eriti komposiittrükkimisele uue meeskonna jaoks.

8. Outlook: trükitud komposiidid muutuvad standardseks valikuks

Reisi suund on selge. Printeri riistvara muutub kiiremaks ja suuremaks, pidevad kiudude süsteemid muutuvad võimelisemaks ja materjalitarnijad pakuvad laiemat valikut tugevdatud klassi. Kui need paranevad, liigub trükitud süsinikkiud prototüüpidest regulaarsesse tootmisse, et saada kasvav osade nimekiri.

Komposiiditööstuse puhul on see pigem lisav kui konkurentsivõimeline. Additiivne tootmine avab süsinikkiutude toodetele uue tee, kus kiud ei vaja valmis struktuuriks vormi. See laiendab turu, mitte jagab seda.

Shanghai Tanchain New Material Technology tarnib süsinikkiust ja aramiidimaterjale vormides, mis sobivad nii traditsioonilisele komposiiditoodlemisele kui ka trükitud komposiidirendusele, sealhulgas süsinikkiust vedamisele, lõikatud süsinikkiust, süsinikkiust kangast, süsinikkiust prepregi, aramiidkust, eeloksüdeeritud kiudlanga ja eeloksüdeeritud kiudu vilt. Meeskonnad, kes töötavad süsinikkiust 3D-trükkimise, komposiiditööriistade või trükitud struktuuriosade kallal, võivad meiega ühendust võtta materjali valiku ja pakkumise toetamiseks.

Uuri meie süsinikkiu ja spetsiaalkiu tootevaliku või saada oma taotluse üksikasjad, et saaksime soovitada teie trükitud komposiitprojekti jaoks õiget kiudvormi.