Углеродное волоконо в 3D-печати: как аддитивное производство переформирует композитные детали

Углеродное волоконо в 3D-печати: где аддитивное производство встречает высокопроизводительные композиты

На протяжении многих лет углеродное волокно и 3D-печать жили в отдельных мирах. Композиты принадлежали автоклавам, пресс-формам и квалифицированным ламинаторам. Аддитивное производство принадлежало прототипам, кронштейнам и пластмассам, которые были дешевыми, но слабыми. Это разделение исчезло. Углеродное волокно в 3D-печати теперь является реальным производственным маршрутом, и это тихо изменило то, что может построить принтер.

Причина проста. Печать дает свободу геометрии, в то время как углеродное волокно придает жесткость и прочность. Составьте их вместе, и вы получите части, которые легкие, жесткие и оформлены таким образом, что литье не может легко скопировать. Для отраслей промышленности, которые нуждаются в индивидуальных структурах в малых и средних объемах, это сочетание трудно игнорировать.

В этой статье рассматривается, как углеродное волокно используется в аддитивном производстве, какие формы материала работают лучше всего, важные методы печати и что покупатели должны учитывать перед указанием печатных композитных частей.

1. Почему добавочное производство нуждалось в более жестком материале

Стандартные печатные нити, такие как PLA, PETG и ABS, удобны, но их механические ограничения появляются быстро. Печатная кронштейн гибается. Печатная джига дрейфует под нагрузкой. Печатный корпус всплывает в теплых условиях. Инженеры быстро достигают точки, когда одна только геометрия не может компенсировать мягкий материал.

1.1 Разрыв в жесткости в пластиковых деталях

Модуль растяжения для обычных печатных пластмасс находится в низком диапазоне, часто между 2 и 3,5 ГПа. Алюминий составляет около 70 GPa. Этот разрыв объясняет, почему печатные пластиковые детали чувствуют себя гибкими и почему им редко доверяют для конструктивной работы. Добавление углеродного волокна не превращает пластик в металл, но это может повысить жесткость в несколько раз и одновременно снизить тепловое расширение.

1.2 Что на самом деле меняет углеродное волокно

Нарезанная или непрерывная армировка углеродного волокна одновременно улучшает три вещи: жесткость, стабильность размеров и прочность. Части удерживают свою форму лучше под нагрузкой, меньше искажаются при нагреве и сопротивляются деформации дольше. Компромисс заключается в том, что материал становится более абразивным, более дорогим и менее прощающим для печати, поэтому контроль процесса имеет большее значение, чем с обычной нитью.

2. Основные пути к углеродному волокну 3D-печати

Нет единого способа печати углеродных композитов. Четыре подхода охватывают большинство промышленных и мастерских использования сегодня, и каждый из них соответствует другому балансу затрат, прочности и сложности.

2.1 короткая волоконная армированная нить печати

Это самый доступный маршрут. Нарезанное углеродное волокно соединяется в термопластическую гранулу, а затем экструдируется в нить для принтеров FDM. Детали, изготовленные таким образом, более жесткие и стабильные, чем неокрепленный пластик, и требования к оборудованию скромны.

Ограничение - длина волокна и ориентация. Волокна короткие и случайно распределены, поэтому армировка равномерна, но умеренна. Этот маршрут подходит для арматуры, установок, корпусов и функциональных прототипов, а не для первичных конструктивных элементов.

2.2 Непрерывная волоконная печать

Непрерывная печать волокна подает сухое углеродное волокно или предварительно пропитанную нить рядом с термопластикой, кладя длинные волокна именно там, где движется нагрузка. Результатом является настоящая композитная структура, а не заполненный пластик.

Прочность и жесткость резко увеличиваются по сравнению с короткой волокнной печатью, потому что волокно несет нагрузку непрерывно. Дизайнеры могут выравнивать волокно вдоль оси изгиба или вокруг отверстия, где обычно сбиваются печатные части. Этот метод медленнее и требует специального оборудования, но для конструктивных кронштейнов и несущих рам он часто является единственным печатным вариантом, который работает.

2.3 Пеллеты и экструзия большого формата

Принтеры на основе пеллет полностью пропускают нить и экструдируют термопластик, укрепленный углеродным волоконом, непосредственно из пеллет. Стоимость материала снижается, скорость отложения увеличивается, а размер детали растет. Большоформатные машины в этой категории производят формы, инструменты и огромные конструкции, которые непрактично печатать нитью.

2.4 Композитная печать в сочетании с традиционным укладом

Гибридный подход печатает ядро или внутренний скелет, усиленный углеродным волоконом, а затем накладывает ткань из углеродных волокон и смолу вручную или вакуумной настойкой. Это сочетает в себе геометрическую свободу печати с высокой частью волокна в объеме классической композитной работы. Это распространено в инструментальном оборудовании, прототипах и производстве с низким объемом, где производительность имеет большее значение, чем время цикла.

3. Материальные формы, которые кормят процесс

Качество печатных композитов в значительной степени зависит от входного материала. Различные формы волокна служат различным стратегиям печати, и понимание их помогает покупателям указать правильный сорт.

3.1 Разрезанные и фрезированные углеродные волокна

Нарезанные углеродные волокна и фрезированные сорта являются рабочими лошадями производства нити и гранул. Длина волокна контролируется во время резки, и это непосредственно влияет на жесткость, поведение потока и отделку поверхности. Более короткие волокна печатают легче, в то время как длинные волокна укрепляют лучше.

3.2 Непрерывные буксирующие и предварительные нити

Непрерывная печать из волокна основана на углеродном волокне, иногда предварительно пропитанном смолой. Спецификации буксировки, такие как количество нитей и совместимость размеров, определяют, насколько хорошо волокно связывается с термопластической матрицей. Выбор буксировки, размеры которой соответствуют полимеру, является одной из наиболее часто упускаемых из виду деталей в печатных композитных работах.

3.3 Вспомогательные материалы в одной и той же конструкции

Композитные детали редко являются одним материалом. Арамидное волокно и продукты из предокисленного волокна, включая окисленную волокнную пряжу и окисленный волокнный филц, появляются в печатных сборах, где необходима толерантность к удару, пламеностойкость или теплоизоляция. Например, печатная рама беспилотного летательного аппарата может использовать углеродное волокно для жесткости и арамид для областей, которые подвергаются удару.

4. Где печатные детали углеродного волокна уже работают

Технология перешла мимо демонстрационных частей. Эти приложения регулярно используются сегодня.

4.1 Инструменты, гиги и крепления

Инженеры по производству используют печатное углеродное волокно для буровых установок, установок для выравнивания, контрольных приборов и вспомогательных средств сборки. Эти детали часто являются одноразовыми или небольшими объемами, а печать устраняет как стоимость формы, так и время доставки. Жесткость армированного материала поддерживает точность крепления при повторном использовании.

4.2 Аэрокосмические и беспилотные системы

Беспилотные летательные аппараты, рамки дронов и небольшие спутниковые компоненты получают выгоду от печатного углеродного волокна, потому что каждая итерация конструкции меняет геометрию. Печать позволяет командам тестировать новую рамку за несколько дней вместо того, чтобы ждать инструментов. Экономия веса переводится непосредственно в время полета и полезную нагрузку.

4.3 Медицинское оборудование и протезы

Пользовательская геометрия нормальна в медицинской работе. Печатное углеродное волокно используется для ортетических оболочек, протезных компонентов, позиционирующих рамок и аксессуаров для изображения, где жесткость, низкий вес и немагнитное поведение имеют значение. Даже в тех случаях, когда печатная часть позже заменяется литой производственной версией, печать сокращает путь от сканирования к монтажу.

4.4 Промышленное и автомобильное развитие

Автомобильные команды печатают инструменты, укрепленные углеродным волоконом, захватчики и прототипы конструктивных частей. Гонковые и автоспортивные программы полагаются на печатные композиты для аэродинамических испытательных частей и внутренних кронштейнов. В промышленных условиях печатные углеродноволокнные роботические конечные эффекторы уменьшают движущуюся массу, что улучшает время цикла и точность.

4.5 Энергетическое, морское и спортивное применение

Команды по ветровой энергии печатают композитные инструменты и вставки лезвий. Морские строители печатают формы и фитинги, которые сопротивляются соленой воде. Разработчики спортивного оборудования печатают прототипы компонентов велосипедов, лопатей гребля и защитных корпусов. Во всех случаях логика одна и та же: индивидуальная геометрия, скромные объемы и необходимость в жесткости без веса.

5. Правила конструкции, которые печатные композиты следуют

Проектирование для печатного углеродного волокна не то же самое, что проектирование для формовых композитов или для обычной пластиковой печати. Несколько принципов определяют, работает ли часть или не.

5.1 Путь нагрузки идет первым

При непрерывном волокне конструктор контролирует направление волокна, поэтому путь нагрузки должен быть определен до завершения геометрии. Волокно должно следовать направлению напряжения части. Кроскет, который сильный в одной ориентации, может быть слабым в другой, и принтер будет воспроизводить эту анизотропию точно так, как спроектировано.

5.2 Ориентация слоя и анизотропия

Печатные части наиболее слабые между слоями. Любой дизайн, который поставляет основную нагрузку через границы слоя, приглашает делиминацию. Поворот ориентации конструкции или добавление непрерывных волоконных петель вокруг критической области обычно решает это, и это соображение должно быть урегулировано во время обзора конструкции, а не после первого сбоя.

5.3 Толщина стен и содержание волокон

Более толстые стены и более высокое содержание волокна увеличивают жесткость, но они также увеличивают время печати и риск пустот. Существует практический диапазон для каждого принтера и материала, и выход за его пределы обычно приводит к внутренним дефектам, которые снижают прибыль.

5.4 Нос сопл и контроль процесса

Углеродное волокно является абразивным. Стандартные латунные сопла быстро износятся, а затвержденные стальные или карбидные компоненты являются нормой. Температура печати, скорость потока и охлаждение должны быть настроены на усиленный материал, а последовательное сушение материалов нити больше, чем ожидает большинство операторов.

6. Сравнение печатных композитов с традиционным изготовлением композитов

Печать не заменила размещение, инфузию или пултрузию. Он занимает другое положение, и выбор обычно сводится к объему и геометрии.

6.1 Где печать выигрывает

Печать выигрывает, когда геометрия сложна, объемы низки, изменения конструкции часто происходят или часть просто не может быть формована. Отсутствие затрат на оборудование, быстрая итерация и интегрированные функции, такие как каналы, боссы и решетковые структуры, являются реальными преимуществами, которые традиционные методы не могут экономически сопоставить при низком объеме.

6.2 Где традиционные композиты все еще ведут

Традиционные методы по-прежнему доминируют там, где доля объема волокна должна быть высокой, где требуется качество автоклава или где производятся большие непрерывные структуры, такие как корпусы лодок, лопатки ветра и панели самолетов. Полтрудированные профили из углеродного волокна и прессованные детали препрега также обеспечивают консистенцию, которую печать еще не соответствовала в масштабе.

6.3 Использование обеих в одной программе

Наиболее практическая стратегия часто сочетается. Команды печатают инструменты из углеродного волокна для производства традиционных композитных деталей, печатают прототипы конструкций для испытаний, а затем переходят к литьевому или пультрудированному производству после фиксации конструкции. Каждый метод делает то, что лучше всего.

7. Что покупатели должны спросить перед указанием печатного углеродного волокна

Покупка печатных композитных деталей или материала, который их подает, требует той же дисциплины, что и любое решение о поставке композитов.

7.1 Форма и класс волокна

Спросите, использует ли часть разрезанное волокно, фрезированное волокно или непрерывное буксирование. Ответ определяет достижимую жесткость больше, чем любой другой фактор. Запросите номинальное содержание волокна и базового полимера, поскольку и это влияет на производительность, и цена.

7.2 Механические данные и метод испытания

Печатные композиты являются анизотропными, поэтому одного числа растяжения недостаточно. Ищите данные в нескольких направлениях и, где это уместно, интерламинарные свойства. Поставщики, которые понимают печатные композиты, будут предоставлять ориентационные данные, а не общий материальный лист.

7.3 Согласованность между партиями

Распределение длины волокна, размер и содержание влаги влияют на печатаемость. Последовательность партии в партию имеет большее значение в печати, чем во многих других процессах, потому что небольшие изменения распространяются непосредственно в готовую часть.

7.4 Поддержка и консультации по применению

Материал и процесс взаимодействуют. Поставщик, который может консультировать по форме волокна, совместимости размеров и параметрам печати, значительно сокращает цикл разработки, особенно для команд, которые новы к композитной печати.

8. Перспектива: Печатные композиты становятся стандартным вариантом

Направление путешествия ясно. Принтерное оборудование становится все быстрее и больше, непрерывные волоконные системы становятся все более способными, а поставщики материалов предлагают более широкий спектр усиленных сортов. По мере их улучшения печатное углеродное волокно перейдет из магазинов прототипов в регулярное производство для растущего списка деталей.

Для композитной промышленности это скорее добавка, чем конкурентоспособность. Аддитивное производство открывает новый путь для продуктов из углеродного волокна, где волокно не нуждается в форме, чтобы стать готовой структурой. Это расширяет рынок, а не разделяет его.

Shanghai Tanchain New Material Technology поставляет углеродное волокно и арамидные материалы в формах, которые соответствуют как традиционному изготовлению композитов, так и разработке печатных композитов, включая углеродное волокно, разрезанное углеродное волокно, ткань углеродного волокна, углеродное волокно, арамидное волокно, предокисленную волокнную пряжу и предокисленную волокнную филц. Команды, работающие на углеродном волокне 3D-печати, композитных инструментов или печатных конструктивных частей, могут связаться с нами для выбора материалов и поддержки котировки.

Исследуйте наш ассортимент продуктов из углеродного волокна и специальных волокн или отправьте свои данные о заявке, чтобы мы могли рекомендовать правильную форму волокна для вашего печатного композитного проекта.