Hiilikuitu 3D-tulostuksessa: kuinka additiivinen valmistus muokkaa uudelleen komposiittiosia

Hiilikuitu 3D-tulostuksessa: missä lisävalmistus kohtaa korkean suorituskyvyn komposiitit

Vuosien ajan hiilikuitu ja 3D-tulostus asuivat erillisissä maailmoissa. Komposiitit kuuluivat autoklaavissa, muoteissa ja ammattitaitoisissa laminaattoreissa. Lisävalmistus kuului prototyyppeihin, kiinneisiin ja muoviin, jotka olivat halpoja mutta heikkoja. Tämä erottaminen on mennyt. Hiilikuitu 3D-tulostuksessa on nyt todellinen tuotantoreitti, ja se on hiljaisesti muuttanut, mitä tulostin voi rakentaa.

Syy on yksinkertainen. Tulostus antaa geometrian vapauden, kun taas hiilikuitu antaa jäykkyyden ja lujuuden. Laita kaksi yhteen ja saat osia, jotka ovat kevyitä, jäykkiä ja muotoittuja tavalla, jota muovaus ei voi helposti kopioida. Teollisuuksilla, jotka tarvitsevat mukautettuja rakenteita pienissä ja keskisuurissa määrissä, tämä yhdistelmä on vaikea jättää huomiotta.

Tässä artikkelissa käsitellään, miten hiilikuitoa käytetään lisävalmistuksessa, mitkä materiaalimuodot toimivat parhaiten, tulostusmenetelmät, jotka ovat tärkeitä, ja mitä ostajien tulisi harkita ennen painettujen komposiittiosien määrittämistä.

1. Miksi lisävalmistus tarvitsi tiukempaa materiaalia

Normaalit tulostusfilamentit, kuten PLA, PETG ja ABS, ovat käteviä, mutta niiden mekaaniset rajat ilmestyvät nopeasti. Painettu kiinni taivuttaa. Painettu jig ajaa kuormituksen alla. Painettu kotelo hiipii lämpimissä olosuhteissa. Insinöörit saavuttavat nopeasti pisteen, jossa geometria yksin ei voi kompensoida pehmeää materiaalia.

1.1 Muoviosien jäykkyys

Yleisten painamouvien vetomoduuli on alhaisella alueella, usein 2 ja 3,5 GPa: n välillä. Alumiini on noin 70 GPa. Tämä aukko selittää, miksi painetut muoviosat tuntuvat joustavilta ja miksi niihin harvoin luotetaan rakenteellisissa tehtävissä. Hiilikuidun lisääminen ei muunda muovia metalliksi, mutta se voi nostaa jäykkyyttä useita kertoja ja leikata lämpölaajentumista samalla.

1.2 Mitä hiilikuitu todella muuttaa

Leikkattu tai jatkuva hiilikuituvahvistus parantaa kolmea asiaa kerralla: jäykkyyttä, ulottuvuutta ja lujuutta. Osat pitävät muotonsa paremmin kuormituksen alla, kiertävät vähemmän lämmitettyään ja vastustavat muodonmuutosta pidempään. Kompromissi on, että materiaalista tulee hiovampaa, kalliimpaa ja vähemmän tulostettavaa, minkä vuoksi prosessin valvonta on tärkeämpää kuin tavallisella filamentilla.

2. Tärkeimmät reitit hiilikuitu 3D-tulostukseen

Ei ole yhtä tapaa tulostaa hiilikuitukomposiitteja. Neljä lähestymistapaa kattavat useimmat teollisuus- ja työpajakäyttö nykyään, ja jokainen sopii erilaiseen tasapainoon kustannukset, vahvuus ja monimutkaisuus.

2.1 Lyhyt kuitu vahvistettu filamentitulostus

Tämä on helpoin pääsevä reitti. Pilkattu hiilikuitu yhdistetään termoplastiseksi pelletiksi ja puristetaan sitten FDM-tulostimien filamentiksi. Tällä tavalla valmistetut osat ovat jäykempiä ja vakaampia kuin vahvistettu muovi, ja laitteiden vaatimus on vaatimaton.

Rajoitus on kuidun pituus ja suuntaus. Kuidut ovat lyhyitä ja satunnaisesti jakautuneita, joten vahvistus on tasainen mutta kohtalainen. Tämä reitti sopii kiinnityksiin, jiggiin, koteloihin ja toiminnallisiin prototyyppeihin ensisijaisten rakenteellisten jäsenten sijaan.

2.2 Jatkuva kuitutulostus

Jatkuva kuitupulostus syöttää kuivaa hiilikuitoa tai esikylpeytettyä sänkyä lämpömuovin viereen, asettaen pitkät kuidut juuri sinne, missä kuorma kulkee. Tuloksena on aito komposiittirakenne eikä täytetty muovi.

Vahvuus ja jäykkyys nousevat dramaattisesti verrattuna lyhyeen kuitupulostukseen, koska kuitu kantaa kuormitusta jatkuvasti. Suunnittelijat voivat kohdistaa kuitua taivutusakselin pitkin tai reiän ympärille, jossa painetut osat yleensä epäonnistuvat. Tämä menetelmä on hitaampi ja vaatii erityistä laitteistoa, mutta rakenteelliset kiinnitykset ja kantavat kehykset ovat usein ainoa painettu vaihtoehto, joka toimii.

2.3 Pelletit ja suurimuotoiset ekstrusiot

Pelletipohjaiset tulostimet ohittavat filamentin kokonaan ja puristavat hiilikuituvahvistetun termoplastisen suoraan pelleteistä. Materiaalikustannukset laskevat, tallentumisnopeudet nousevat ja osan koko kasvaa. Tämän luokan suurimuotoiset koneet tuottavat muotteja, työkaluja ja ylikokoisia rakenteita, joita ei olisi käytännöllistä tulostaa filamentilla.

2.4 Komposiittitulostus yhdistettynä perinteiseen asetteluun

Hybridi lähestymistapa tulostaa hiilikuitu vahvistettu ydin tai sisäinen luuranko, sitten pinnoittaa hiilikuitu kangas ja hartsi käsin tai tyhjiö infuusio. Tämä yhdistää geometrisen painotusvapauden klassisen komposiittityön suureen kuitu-tilavuusosaan. Se on yleistä työkaluissa, prototyyppeissä ja pienimääräisessä tuotannossa, jossa suorituskyky on tärkeämpää kuin sykliaika.

3. Materiaalilomakkeet, jotka ruokkivat prosessia

Painettu komposiittilaatu riippuu suuresti syöttömateriaalista. Eri kuitumuotot palvelevat eri tulostusstrategioita, ja niiden ymmärtäminen auttaa ostajia määrittämään oikean luokan.

3.1 Hiljattu ja jauhattu hiilikuitu

Hiljattu hiilikuitu ja jauhatut laatut ovat filamentien ja pellettien tuotannon työhevosia. Kuitun pituus hallitaan leikkauksen aikana, ja se vaikuttaa suoraan jäykkyyteen, virtauksen käyttäytymiseen ja pintaviimeistelyyn. Lyhyemmät kuidut tulostavat helpommin, kun taas pidemmät kuidut vahvistavat paremmin.

3.2 Jatkuvat veto- ja prepreg-sarjat

Jatkuva kuitujen tulostus perustuu hiilikuitu vetää, joskus esikylpeytetty hartsi. Vedon eritelmät, kuten filamentien lukumäärä ja kokoyhteensopivuus, määrittävät kuitu sitoutuu lämpömuoviseen matriisiin. Vedon valinta, jonka koko sopii polymeeriin, on yksi yleisimmin unohdettuista yksityiskohdista painetussa komposiittityössä.

3.3 Tukemateriaalit samassa rakennuksessa

Komposiittiosat ovat harvoin yhtä materiaalia. Aramidikuitu ja esihapettu kuitu tuotteet, mukaan lukien hapettu kuitu lanka ja hapettu kuitu vilta, esiintyy painettuja kokoonpanoja, joissa iskutoleranssi, liekikestävyys tai lämpöeristys on tarpeen. Esimerkiksi painettu dronen kehys voi käyttää hiilikuitoa jäykkyyteen ja aramidiin iskualueille.

4. Missä painetut hiilikuitu osat ovat jo toimivat

Teknologia on siirtynyt demonstraatiokappaleiden ohi. Näitä sovelluksia käytetään nykyään säännöllisesti.

4.1 Työkalut, jigit ja kiinnitykset

Valmistamisen insinöörit käyttävät painettua hiilikuitu pora jigs, kohdistuminen laitteet, tarkastus mittarit ja kokoonpano apuvälineitä. Nämä osat ovat usein kertakohtaisia tai pieniä, ja tulostus poistaa sekä muotin kustannukset että toimitusaika. Vahvistetun materiaalin jäykkyys pitää kiinnityksen tarkkana toistuvan käytön kautta.

4.2 Ilmailu ja miehittämättömät järjestelmät

Miehittämättömät lentokoneet, droneiden kehykset ja pienet satelliittikomponentit hyötyvät painetusta hiilikuidusta, koska jokainen suunnittelun iteraatio muuttaa geometriaa. Tulostuksen avulla tiimit voivat testata uutta kehystä päivinä sen sijaan, että odottaisivat työkaluja. Painonsäästöt merkitsevät suoraan lentoaikaa ja hyötykuormituskapasiteettia.

4.3 Lääketieteelliset laitteet ja proteesit

Mukautettu geometria on normaalia lääketieteellisessä työssä. Painettua hiilikuitu käytetään ortoottisiin kuoreihin, proteettisiin komponentteihin, paikannuskehyksiin ja kuvantatarvikkeisiin, joissa jäykkyys, alhainen paino ja ei-magneettinen käyttäytyminen ovat tärkeitä. Vaikka painettu osa korvataan myöhemmin muovatulla tuotantoversiolla, tulostus lyhentää polkua skannauksesta asennukseen.

4.4 Teollisuuden ja autoteollisuuden kehitys

Auton tiimit tulostavat hiilikuituvahvistettuja työkaluja, käsivarteen pitimiä ja prototyyppirakenteellisia osia. Kilpa- ja moottoriurheiluohjelmat luottavat painettuihin komposiitteihin aerodynaamisten testikappaleiden ja sisäisten kiinnikkeiden osalta. Teollisissa ympäristöissä painettu hiilikuitu robotin päätoimittajat vähentävät liikkuvaa massaa, mikä parantaa syklin aikaa ja tarkkuutta.

4.5 Energia-, meri- ja urheilusovellukset

Tuulienergiaryhmät tulostavat komposiittityökaluja ja terät. Merenrakentajat tulostavat muotteja ja varusteita, jotka kestävät suolavettä. Urheiluvälineiden kehittäjät tulostavat prototyyppipyörän komponentteja, melon terät ja suojavarusteiden kuoret. Jokaisessa tapauksessa logiikka on sama: räätälöity geometria, vaatimattomat tilavuudet ja jäykkyyden tarve ilman painoa.

5. Suunnittelusäännöt, joita painetut komposiitit noudattavat

Painetun hiilikuitun suunnittelu ei ole sama kuin muovattujen komposiittien tai tavallisen muovin tulostuksen suunnittelu. Muutama periaate päättää, toimiiko osa vai epäonnistuu.

5.1 Kuormapolku tulee ensin

Jatkuvalla kuidulla suunnittelija ohjaa kuidun suuntaa, joten kuormituspolku olisi määriteltävä ennen geometrian valmistumista. Kuidun tulisi seurata osan jännitteestä. Kiinnis, joka on vahva yhdessä suunnassa, voi olla heikko toisessa, ja tulostin toistaa tämän anisotropia tarkalleen suunnitellulla tavalla.

5.2 Kerroksen suuntautuminen ja anisotropia

Painetut osat ovat heikoimpia kerrosten välillä. Mikä tahansa suunnittelu, joka asettaa pääkuormituksen kerroksen rajojen yli, kutsuu delaminointiin. Rakennuksen suuntautumisen pyöriminen tai jatkuvien kuitusympyrien lisääminen kriittisen alueen ympärille ratkaisee sen yleensä, ja tämä huomio olisi ratkaistava suunnittelun tarkastelun aikana eikä ensimmäisen vikan jälkeen.

5.3 Seinän paksuus ja kuitupitoisuus

Paksummat seinät ja korkeampi kuitupitoisuus lisäävät jäykkyyttä, mutta ne lisäävät myös tulostusaikaa ja tyhjyyksien riskiä. Jokaiselle tulostimelle ja materiaalille on käytännöllinen valikoima, ja sen ulkopuolella yleensä syntyy sisäisiä vikoja, jotka vähentävät voittoa.

5.4 Suuttimen kuluminen ja prosessin valvonta

Hiilikuitu on abrasiivinen. Vakiomessingisuuttimet kuluvat nopeasti, ja karkaistu teräs tai karbidikomponentit ovat normaalia. Tulostuslämpötila, virtausnopeus ja jäähdytys on säädettävä vahvistettua materiaalia varten ja filamenttien kuivaus on jatkuva enemmän kuin useimmat käyttäjät odottavat.

6. Vertaa painettuja komposiittejä perinteiseen komposiittivalmistukseen

Tulostus ei ole korvannut asettelua, infuusioa tai pultrusiota. Se sijaitsee erilaisessa paikassa, ja valinta yleensä laskeutuu tilavuuteen ja geometriaan.

6.1 Missä tulostus voittaa

Tulostus voittaa, kun geometria on monimutkainen, tilavuudet ovat pieniä, suunnittelumuutokset ovat useita tai osa ei yksinkertaisesti voida muovata. Ei työkalukustannuksia, nopea iteraatio ja integroidut ominaisuudet, kuten kanavat, pomot ja verkko rakenteet, ovat todellisia etuja, joita perinteiset menetelmät eivät voi vastaa taloudellisesti pienellä volyymillä.

6.2 Missä perinteiset komposiitit edelleen johtavat

Perinteiset menetelmät hallitsevat edelleen, missä kuitujen tilavuuden osuuden on oltava korkea, missä autoklaavin laatu vaaditaan tai missä valmistetaan suuria jatkuvia rakenteita, kuten veneen rumpoja, tuuliterheitä ja lentokoneiden paneeleja. Pultrudoidut hiilikuituprofiilit ja painotetut prepreg-osat tarjoavat myös johdonmukaisuuden, jota painaminen ei ole vielä vastaanut mittakaavassa.

6.3 Molempien käyttäminen samassa ohjelmassa

Käytännöllisin strategia on usein yhdistetty. Tiimit tulostavat hiilikuitu työkaluja tuottaa perinteisiä komposiittiosia, tulostaa prototyyppirakenteita testausta varten, sitten siirtyä muovattu tai pultruded tuotantoon, kun suunnittelu on kiinnitetty. Jokainen menetelmä tekee parhaansa.

7. Mitä ostajien tulisi kysyä ennen painettua hiilikuitu

Painettujen komposiittiosien tai niitä syöttävän materiaalin ostaminen edellyttää samaa kurinalaisuutta kuin mikä tahansa komposiittihankintapäätös.

7.1 Kuitu muoto ja laatu

Kysy, käyttääkö osa leikattua kuitua, jauhattua kuitua tai jatkuvaa vetoa. Vastaus määrittää saavutettavan jäykkyyden enemmän kuin mikään muu tekijä. Pyydä nimelliskuitupitoisuutta ja pohjapolymeeria, koska molemmat vaikuttavat suorituskykyyn ja hintaan.

7.2 Mekaaniset tiedot ja testimenetelmä

Painetut komposiitit ovat anisotrooppisia, joten yksi vetoluku ei riitä. Etsi tietoja moniin suuntiin ja tarvittaessa interlaminaarisia ominaisuuksia. Toimittajat, jotka ymmärtävät painettuja komposiittejä, toimittavat suuntautumistietoisia ​​tietoja yleisen materiaaliarvon sijaan.

7.3 Erojen johdonmukaisuus

Kuitujen pituus, koko ja kosteuspitoisuus vaikuttavat tulostettavuuteen. Erän johdonmukaisuus on tärkeämpää tulostuksessa kuin monissa muissa prosesseissa, koska pieniä muutoksia levitetään suoraan valmiiseen osaan.

7.4 Tuki ja sovellusneuvonta

Materiaali ja prosessi ovat vuorovaikutuksessa. Toimittaja, joka voi neuvoa kuitumuotosta, kokoyhteensopivuudesta ja tulostusparametreista, lyhentää kehityssykliä huomattavasti, erityisesti komposiittitulostukseen uusille tiimille.

8. Outlook: Painetut komposiitit ovat tulossa vakiovaihtoehto

Matkan suunta on selkeä. Tulostimen laitteisto kasvaa nopeammin ja suuremmaksi, jatkuvat kuitujärjestelmät kehittyvät ja materiaalien toimittajat tarjoavat laajemman valikoiman vahvistettuja laatuja. Kun nämä paranevat, painettu hiilikuitu siirtyy prototyyppikaupoista säännölliseen tuotantoon kasvavaan osaluetteloon.

Komposiittiteollisuudessa tämä on enemmän lisäainetta kuin kilpailua. Lisävalmistus avaa uuden polun hiilikuitutuotteille, jossa kuitu ei tarvitse muottia valmistuvaksi rakenteeksi. Tämä laajentaa markkinoita sen sijaan, että ne jakaisivat.

Shanghai Tanchain New Material Technology toimittaa hiilikuitu- ja aramidimateriaaleja muodoissa, jotka sopivat sekä perinteiseen komposiittivalmistukseen että painettuun komposiittikehitykseen, mukaan lukien hiilikuitu-veto, leikattu hiilikuitu, hiilikuitu-kankas, hiilikuitu-prepreg, aramidikuitu, esihapettu kuitulanga ja esihapettu kuitu-tunto. Hiilikuitu 3D-tulostuksen, komposiittityökalujen tai painettujen rakenneosien tiimit ovat tervetulleita ottamaan meihin yhteyttä materiaalin valintaan ja tarjoustukeen.

Tutustu hiilikuitu- ja erikoiskuitu-tuotevalikoimaamme tai lähetä hakemustiedot, jotta voimme suositella oikeaa kuituloomaketta painettuun komposiittiprojektiisi.