Ogljikova vlakna v 3D tiskanju: kako dodatna proizvodnja preoblikuje sestavljene dele

Ogljikova vlakna v 3D tiskanju: kjer dodatna proizvodnja ustreza visokozmogljivim kompozitom

Leta sta ogljikova vlakna in 3D tiskanje živela v ločenih svetovih. Kompositi so pripadali avtoklavom, kalupom in kvalificiranim laminatorjem. Dodatna proizvodnja je pripadala prototipom, nosilcem in plastičnim materialom, ki so bili poceni, a šibki. Te ločitve ni več. Ogljikova vlakna v 3D tiskanju so zdaj resnična proizvodna pot in so tiho spremenila tisto, kar lahko tiskalnik zgradi.

Razlog je preprost. Tiskanje daje svobodo geometrije, ogljikova vlakna pa togost in trdnost. Sestavite obe skupaj in dobite dele, ki so lahki, togi in oblikovani tako, da oblikovanje ne more preprosto kopirati. Za industrije, ki potrebujejo strukture po meri v nizkih do srednjih količinah, je to kombinacijo težko prezreti.

Ta članek zajema, kako se ogljikova vlakna uporabljajo v aditivni proizvodnji, katere materialne oblike delujejo najbolje, načine tiskanja, ki so pomembne in kaj morajo kupci upoštevati pred določitvijo tiskanih kompozitnih delov.

1. Zakaj je dodatna proizvodnja potrebovala trd material

Standardni tiskalni filamenti, kot so PLA, PETG in ABS, so priročni, vendar se njihove mehanske omejitve pojavijo hitro. Tiskani nosilec se upogiba. Pod obremenitvijo se natisnjeni nosilci. Tiskano ohišje se plazi v toplih pogojih. Inženirji hitro dosežejo točko, kjer geometrija sama ne more kompenzirati mehkega materiala.

1.1 Vrzel v togosti v plastičnih delih

Natezni modul za običajne tiskarske plastike je v nizkem razponu, pogosto med 2 in 3,5 GPa. Aluminij je približno 70 GPa. Ta vrzel pojasnjuje, zakaj so tiskani plastični deli prilagodljivi in zakaj jim redko zaupamo pri strukturnih obremenitvah. Dodajanje ogljikovih vlaken ne spremeni plastike v kovino, vendar lahko večkrat dvigne togost in hkrati zmanjša toplotno ekspanzijo.

1.2 Kaj se ogljikova vlakna dejansko spreminja

Sekljana ali neprekinjena ojačitev ogljikovih vlaken izboljša tri stvari hkrati: togost, dimenzijsko stabilnost in trdnost. Deli bolje ohranjajo svojo obliko pod obremenitvijo, manj se upogibajo pri segrevanju in dlje časa odpornijo proti deformacijam. Kompromis je, da material postane bolj abraziven, dražji in manj odpuščen za tiskanje, zato je nadzor procesa pomembnejši kot pri navadnih filamentih.

2. Glavne poti do 3D tiskanja ogljikovih vlaken

Ni enotnega načina za tiskanje kompozitov ogljikovih vlaken. Štirje pristopi pokrivajo večino industrijske in delavnice danes, vsak pa ustreza različnemu ravnovesju stroškov, moči in kompleksnosti.

2.1 Tiskanje filamenta s kratkimi vlakni

To je najbolj dostopna pot. Sekljana ogljikova vlakna se zmešajo v termoplastično peleto, nato pa se ekstrudirajo v filament za FDM tiskalnike. Deli, izdelani na ta način, so togejši in stabilnejši od neobdelane plastike, zahteva po opremi pa je skromna.

Omejitev je dolžina in usmeritev vlaken. Vlakna so kratka in naključno porazdeljena, zato je ojačitev enakomerna, a zmerna. Ta pot ustreza napravam, jigovom, ohišjem in funkcionalnim prototipom namesto primarnim strukturnim elementom.

2.2 Neprekinjeno tiskanje vlaken

Neprekinjeno tiskanje vlaken podaja suho vleko iz ogljikovih vlaken ali vnaprej impregnirano prameno ob termoplastiki, s čimer dolga vlakna položi točno tam, kjer tovor potuje. Rezultat je pristna kompozitna struktura namesto polnjene plastike.

Trdnost in togost dramatično skočita v primerjavi s tiskanjem kratkih vlaken, saj vlakna neprekinjeno nosijo obremenitev. Oblikovalci lahko poravnajo vlakna vzdolž upogibne osi ali okoli luknje, kjer natisnjeni deli običajno ne uspejo. Ta metoda je počasnejša in potrebuje namensko strojno opremo, vendar je za konstrukcijske nosilce in nosilne okvirje pogosto edina možnost tiskanja, ki deluje.

2.3 Ekstruzija pelet in velikega formata

Tiskalniki na osnovi peletov v celoti preskočijo filament in ekstrudirajo termoplastiko, ojačano z ogljikovimi vlakni, neposredno iz peletov. Stroški materiala padajo, stopnje odlaganja naraščajo in velikost dela narašča. Stroji velikega formata v tej kategoriji proizvajajo kalupe, orodje in prevelike konstrukcije, ki bi jih bilo nepraktično tiskati z nitko.

2.4 Kombinirano tiskanje s tradicionalno postavitvijo

Hibridni pristop natisne jedro ali notranje okostje, ojačano z ogljikovimi vlakni, nato ročno ali z vakuumsko infuzijo prekriva tkanino iz ogljikovih vlaken in smolo. To združuje geometrijsko svobodo tiskanja z visoko količino vlaken klasičnega kompozitnega dela, ki je pogosta pri orodju, prototipih in proizvodnji majhnih količin, kjer je zmogljivost pomembnejša od časa cikla.

3. Materialne oblike, ki hranijo proces

Kakovost tiskanega kompozitnega materiala je močno odvisna od vhodnega materiala. Različne oblike vlaken služijo različnim strategijam tiskanja, njihovo razumevanje pa pomaga kupcem določiti pravi razred.

3.1 Sekljana in mleta ogljikova vlakna

Sekljana ogljikova vlakna in brušene vrste so delovni konji proizvodnje filamentov in peletov. Dolžina vlaken je nadzorovana med rezanjem in neposredno vpliva na togost, obnašanje pretoka in površinsko obdelavo. Krajša vlakna tiskajo lažje, daljša vlakna pa krepijo bolje.

3.2 Neprekinjeni vlečni in predpregni tokovi

Neprekinjeno tiskanje vlaken se zanaša na vleko iz ogljikovih vlaken, včasih vnaprej impregnirano s smolo. Specifikacije vleke, kot sta število žarilnih nitk in združljivost velikosti, določajo, kako dobro se vlakna vežejo na termoplastično matrico.Izbira vleke, katere velikost ustreza polimeru, je ena izmed najpogosteje spregledanih podrobnosti pri tiskanih kompozitnih delih.

3.3 Podporni materiali v isti zgradbi

Sestavljeni deli so redko en material. Aramidna vlakna in predoksidirani izdelki iz vlaken, vključno s prejo oksidiranih vlaken in oksidiranimi klobučevinami iz vlaken, se pojavljajo v tiskanih sklopih, kjer je potrebna toleranca udarcev, odpornost proti plamenu ali toplotna izolacija. Tiskani okvir brezpilotnega letala lahko na primer uporablja ogljikova vlakna za togost in aramid za območja, ki trpijo.

4. Kjer tiskani deli ogljikovih vlaken že delujejo

Tehnologija se je premaknila mimo demonstracijskih delov. Te aplikacije se danes redno uporabljajo.

4.1 Orodje, vzorci in naprave

Proizvodni inženirji uporabljajo natisnjena ogljikova vlakna za vrtalne vtičnice, poravnalne naprave, merilnike za preverjanje in pripomočke za montažo. Ti deli so pogosto enkratni ali majhni volumen, tiskanje pa odpravlja stroške plesni in dobavni čas. Trdnost ojačanega materiala ohranja natančnost pritrditve pri ponavljajoči se uporabi.

4.2 Letalski sistemi in sistemi brez posadke

Zračna vozila brez posadke, okvirji brezpilotnih letal in majhne satelitske komponente imajo koristi od natisnjenih ogljikovih vlaken, saj vsaka ponovitev oblike spremeni geometrijo. Tiskanje omogoča ekipam, da preizkusijo nov okvir v nekaj dneh, namesto da čakajo na orodje. Prihranek teže neposredno pomeni čas letenja in zmogljivost koristne obremenitve.

4.3 Medicinska oprema in protetika

Geometrija po meri je običajna pri medicinskem delu. Tiskana ogljikova vlakna se uporabljajo za ortotske lupine, protetične komponente, pozicijske okvirje in pribor za slikanje, kjer so togost, majhna teža in nemagnetno vedenje pomembno. Tudi če je tiskani del kasneje zamenjan z oblikovano proizvodno različico, tiskanje skrajša pot od skeniranja do montaže.

4.4 Industrijski in avtomobilski razvoj

Avtomobilske ekipe tiskajo orodje, ojačano z ogljikovimi vlakni, prijemalce na koncu roke in prototipne konstrukcijske dele. Dirkalni in motorni športi se zanašajo na tiskane kompozite za aerodinamične preskušalce in notranje nosilce. V industrijskih okoljih tiskani robotski efektorji iz ogljikovih vlaken zmanjšujejo gibljivo maso, kar izboljšuje čas cikla in natančnost.

4.5 Energetske, morske in športne aplikacije

Ekipe za vetrno energijo tiskajo sestavljeno orodje in vložke rezil. Morski gradbeniki tiskajo kalupe in pribore, ki se upirajo slani vodi. Razvijalci športne opreme tiskajo prototipne komponente koles, lopatice in školjke zaščitne opreme. V vsakem primeru je logika enaka: geometrija po meri, skromni volumni in potreba po togosti brez teže.

5. Pravila oblikovanja, ki jih tiskani kompoziti upoštevajo

Oblikovanje tiskanih ogljikovih vlaken ni isto kot oblikovanje za oblikovane kompozite ali za navadno plastično tiskanje. Nekaj načel odloča, ali del deluje ali ne.

5.1 Najprej pride pot obremenitve

Z neprekinjenimi vlakni oblikovalec nadzoruje smer vlaken, zato je treba pot obremenitve določiti, preden je geometrija dokončana. Vlakna morajo slediti smeri napetosti dela. Nosilec, ki je močan v eni usmeritvi, je lahko šibek v drugi, tiskalnik pa bo reproduciral to anizotropijo točno tako, kot je zasnovan.

5.2 Orientacija plasti in anisotropija

Tiskani deli so med plastmi najšibkejši. Vsaka zasnova, ki postavi glavno obremenitev čez meje plasti, povzroči delaminacijo. Vrtenje orientacije gradnje ali dodajanje neprekinjenih zank vlaken okoli kritičnega območja ga običajno reši, in to razmislek je treba poravnati med pregledom projekta in ne po prvi okvari.

5.3 Debelina sten in vsebnost vlaken

Debelejše stene in večja vsebnost vlaken povečujeta togost, hkrati pa tudi čas tiskanja in tveganje praznin. Za vsak tiskalnik in material obstaja praktičen obseg, ki običajno povzroča notranje napake, ki zmanjšujejo dobiček.

5.4 Obraba šobe in nadzor procesa

Ogljikovo vlakno je abrazivno. Standardne medeninaste šobe se hitro obrabijo, standardna so kaljene jeklene ali karbidne komponente. Temperatura tiskanja, pretok in hlajenje je treba prilagoditi ojačanemu materialu, dosledno sušenje žarilne nitke pa je pomembnejše, kot pričakuje večina operaterjev.

6. Primerjava tiskanih kompozitov s tradicionalno proizvodnjo kompozitov

Tiskanje ni nadomestilo plasti, infuzije ali pultruzije. Zavzema drugačen položaj in izbira se običajno nanaša na volumen in geometrijo.

6.1 Kjer tiskanje zmaga

Tiskanje zmaga, ko je geometrija zapletena, volumni majhni, spremembe oblikovanja so pogoste ali dela preprosto ni mogoče oblikovati. Brez stroškov orodja, hitra ponovitev in integrirane funkcije, kot so kanali, šefi in mrežne strukture, so resnične prednosti, ki jih tradicionalne metode ne morejo ekonomsko ujemati pri majhni količini.

6.2 Kjer tradicionalni kompoziti še vedno vodijo

Tradicionalne metode še vedno prevladujejo, kjer mora biti delež volumna vlaken visok, kjer je potrebna kakovost avtoklavov ali kjer se proizvajajo velike neprekinjene strukture, kot so trupi čolnov, vetrni lopati in plošče letal. Pultrudirani profili iz ogljikovih vlaken in tiskarsko sušeni prepreg deli prav tako zagotavljajo konsistenco, ki jo tiskanje še ni ujemalo v obsegu.

6.3 Uporaba obojega v istem programu

Najbolj praktična strategija je pogosto združena. Ekipe tiskajo orodje iz ogljikovih vlaken za proizvodnjo tradicionalnih kompozitnih delov, tiskajo prototipne strukture za testiranje, nato pa se premaknejo na oblikovano ali pultrudirano proizvodnjo, ko je dizajn fiksno. Vsaka metoda počne tisto, kar je najboljša.

7. Kaj morajo kupci vprašati pred določitvijo tiskanih ogljikovih vlaken

Nakup tiskanih kompozitnih delov ali materiala, ki jih hrani, zahteva enako disciplino kot vsaka odločitev o kompozitnem izviru.

7.1 Oblika in stopnja vlaken

Vprašajte, ali del uporablja sesekljana vlakna, brušena vlakna ali neprekinjeno vleko. Odgovor določa dosegljivo togost bolj kot kateri koli drug dejavnik. Zahtevajte nominalno vsebnost vlaken in osnovni polimer, saj oba vplivata na zmogljivost in ceno.

7.2 Mehanski podatki in preskusna metoda

Tiskani kompoziti so anizotropni, zato eno natezno število ni dovolj. Poiščite podatke v več smereh in po potrebi interlaminarne lastnosti. Dobavitelji, ki razumejo tiskane kompozite, bodo zagotovili podatke, ki se zavedajo orientacije, namesto splošnega lista materiala.

7.3 Skladnost med serijami

Porazdelitev dolžine vlaken, velikost in vsebnost vlage vplivajo na tiskalnost. Konsistenca serije do serije je pri tiskanju bolj pomembna kot pri mnogih drugih procesih, saj se majhne spremembe širijo neposredno v končni del.

7.4 Podpora in svetovanje pri uporabi

Material in proces medsebojno sodelujeta. Dobavitelj, ki lahko svetuje glede oblike vlaken, združljivosti velikosti in parametrov tiskanja, znatno skrajša razvojni cikel, zlasti za ekipe, ki so novi na področju kompozitnega tiskanja.

8. Outlook: tiskani kompoziti postajajo standardna možnost

Smer potovanja je jasna. Strojna oprema tiskalnika postaja hitrejša in večja, sistemi neprekinjenih vlaken postajajo zmogljivi, dobavitelji materialov pa ponujajo širši nabor ojačanih razredov. S tem, ko se bodo ti izboljšali, se bodo tiskani ogljikovi vlakni premaknili iz prodajaln prototipov v redno proizvodnjo za vedno večji seznam delov.

Za industrijo kompozitov je to bolj aditivno kot konkurenčno. Dodatna proizvodnja odpira novo pot za izdelke iz ogljikovih vlaken, takšno, kjer vlakna ne potrebujejo plesni, da postanejo končna struktura. To razširi trg, ne pa ga deli.

Shanghai Tanchain New Material Technology dobavlja ogljikova vlakna in aramidne materiale v oblikah, ki ustrezajo tako tradicionalni proizvodnji kompozitov kot tiskani razvoj kompozitov, vključno z vleko ogljikovih vlaken, sesekljanimi ogljikovimi vlakni, tkanino ogljikovih vlaken, prepreg ogljikovih vlaken, aramidnimi vlakni, prejo predoksidiranih vlaken in predoksidirani klobučevini vlakni. Ekipe, ki delajo na področju 3D tiskanja ogljikovih vlaken, kompozitnega orodja ali tiskanih konstrukcijskih delov, so dobrodošle, da nas kontaktirajo za izbiro materiala in podporo ponudbam.

Raziščite našo ponudbo izdelkov iz ogljikovih vlaken in posebnih vlaken ali pošljite podrobnosti o uporabi, da vam lahko priporočimo ustrezno obliko vlaken za vaš tiskani kompozitni projekt.