Szén-szál a 3D-s nyomtatásban: Hogyan alakítja át az additiv gyártás a kompozit alkatrészeket

Szén-rost a 3D-s nyomtatásban: ahol az aditív gyártás találkozik a nagy teljesítményű kompozitokkal

Éveken át a szénszál és a 3D nyomtatás külön világokban élt. A kompozitok autoklávokhoz, penészekhez és szakképzett laminátorokhoz tartoztak. Az additiv gyártás olyan prototípusokhoz, tartókhoz és műanyagokhoz tartozott, amelyek olcsók voltak, de gyengek. Az elválasztás eltűnt. A szénszál a 3D nyomtatásban már valódi gyártási útvonal, és csendben megváltoztatta, amit egy nyomtató építhet.

Az ok egyszerű. A nyomtatás a geometria szabadságát ad, míg a szénszál merevséget és szilárdságot ad. Tegye össze a kettőt, és olyan részeket kap, amelyek könnyűek, merevek és olyan formájú, hogy a formázás nem lehet könnyen másolni. Azok az iparágak számára, amelyeknek alacsony és közepes mennyiségű testreszabásra van szükségük, ezt a kombinációt nehéz figyelmen kívül hagyni.

Ez a cikk lefedi, hogyan használják a szénszálat az aditív gyártásban, melyik anyagformák működnek a legjobban, a fontos nyomtatási módszerek és mit kell figyelembe venniük a vásárlóknak a nyomtatott kompozit alkatrészek megadása előtt.

1. Miért az adalékgyártásnak merevebb anyagra volt szüksége

A szabványos nyomtatási szálak, mint például a PLA, a PETG és az ABS kényelmesek, de mechanikai korlátaik gyorsan megjelennek. A nyomtatott tartó hajlít. Egy nyomtatott szerkezet hajlik terhelés alatt. A nyomtatott ház meleg körülmények között csúszik. A mérnökök gyorsan elérik azt a pontot, ahol a geometria önmagában nem kompenzálhatja a puha anyagot.

1.1 A merevségi szakadék a műanyag alkatrészekben

A szokásos nyomtatási műanyagok húzási modulja alacsony tartományban van, gyakran 2 és 3,5 GPa között. Az alumínium körülbelül 70 GPa. Ez a hiány megmagyarázza, hogy miért érzik a nyomtatott műanyag alkatrészek rugalmasnak magukat, és miért ritkán bíznak bennük szerkezeti feladataikban. A szénszál hozzáadása nem alakítja a műanyagot fémmé, de több alkalommal növelheti a merevséget és egyszerre csökkentheti a hőtágulást.

1.2 Mi a szénszál valójában változik

A vágott vagy folyamatos szénszál-erősítés egyszerre három dolgot javít: merevséget, dimenziós stabilitást és szilárdságot. Az alkatrészek jobban tartják formájukat terhelés alatt, kevesebb torzítást tesznek, ha melegítenek, és hosszabb ideig ellenállnak a deformációnak. A kompromisszus az, hogy az anyag kopásosabbá, drágábbá és kevésbé megbocsátható a nyomtatáshoz, ezért fontosabb a folyamat ellenőrzése, mint a egyszerű szál.

2. A főbb útvonalak a szénszál 3D nyomtatás

Nincs egyetlen módja a szénszál kompozitok nyomtatásának. Négy megközelítés lefedi a legtöbb ipari és műhelyi használatot ma, és mindegyik megfelel a költség, erő és bonyolultság különböző egyensúlyának.

2.1 Rövid szál megerősített szál nyomtatás

Ez a leghozzáférhetőbb út. Vágott szénszál összetett egy termoplasztikus pellet, majd extrudált szál FDM nyomtatók. Az ilyen módon készült alkatrészek merevebbek és stabilabbak, mint a megerősített műanyag, és a felszerelési követelmények szerények.

A korlátozás a szál hossza és orientációja. A rostok rövid és véletlenszerűen eloszlottak, így az erősítés egységes, de mérsékelt. Ez az útvonal alkalmas szerelvények, szerkezetek, házak és funkcionális prototípusok helyett az elsődleges szerkezeti tagok.

2.2 Folyamatos szálnayomtatás

A folyamatos szálnayomtatás száraz szénszált vagy előre impregnált szálat táplál a hőműanyag mellett, és hosszú szálakat helyez pontosan ott, ahol a terhelés utazik. Az eredmény valódi kompozit szerkezet, nem pedig töltött műanyag.

Az erősség és a merevség drasztikusan ugr a rövid szál nyomtatásához képest, mert a szál folyamatosan terhelt. A tervezők egy hajlítási tengely mentén vagy egy lyuk körül állíthatják össze a rostot, ahol a nyomtatott alkatrészek általában meghibásodnak. Ez a módszer lassabb, és dedikált hardvert igényel, de a szerkezeti tartószerek és a terhelőkeretek esetében gyakran ez az egyetlen nyomtatott lehetőség, amely működik.

2.3 Pellet és nagy formátumú extrúzió

Pellet alapú nyomtatók teljesen kihagyják a szálat, és közvetlenül a pelletből extrudálják a szénszál erősített termoplastát. Az anyagköltségek csökkennek, a lerakodási arány növekszik, és az alkatrész mérete növekszik. Ebben a kategóriában lévő nagy formátumú gépek penészeket, szerszámokat és túlméretű szerkezeteket termelnek, amelyek gyakorlatilag nem nyomtathatók szállal.

2.4 Kompozit nyomtatás a hagyományos felépítéssel kombinálva

A hibrid megközelítés egy szénszál erősített magot vagy belső csontvázt nyomtat ki, majd kézzel vagy vákuum infúzióval felfedi a szénszál szövetet és a gyantát. Ez ötvözi a nyomtatás geometriai szabadságát a klasszikus kompozit munka nagy szál térfogati töredékével. Gyakori a szerszámok, prototípusok és az alacsony mennyiségű gyártásban, ahol a teljesítmény fontosabb, mint a ciklusidő.

3. Az anyagi formák, amelyek táplálják a folyamatot

A nyomtatott kompozit minőség nagymértékben függ a bemeneti anyagtól. A különböző rostformák különböző nyomtatási stratégiákat szolgálnak, és ezek megértése segít a vásárlóknak a megfelelő minőség meghatározásában.

3.1 Vágott és őrölt szénszál

A vágott szénszál és a marált minőségek a szál és a pellet termelés munkalovai. A rosthosszúságot a vágás során szabályozzák, és közvetlenül befolyásolja a merevséget, az áramlási viselkedést és a felületi befejezést. A rövidebb szálak könnyebben nyomtatnak, míg a hosszabb szálak jobban erősítik.

3.2 Folyamatos vonó és előkészítő szálak

Folyamatos rostnyomtatás támaszkodik szénszál vonó, néha előre impregnált gyanta. A vonási specifikációk, mint például a szálszám és a méretkompatibilitás határozzák meg, hogy a rost mennyire kötődik a termoplasztikus mátrixhoz. A polimernek megfelelő méretű vonzó kiválasztása az egyik leggyakrabban figyelmen kívül hagyott részlet a nyomtatott kompozit munka során.

3.3 Támogatóanyagok ugyanabban az építésben

A kompozit alkatrészek ritkán egy anyag. Az aramid rost és az előre oxidált rost termékek, beleértve az oxidált rostfonalt és az oxidált rostfült, nyomtatott készülékekben jelennek meg, ahol ütközési toleranciára, lángállóságra vagy hőszigetelésre van szükség. Egy nyomtatott drón keret például szénszált használhat merevségre és aramidra az ütköző területeken.

4. Ahol nyomtatott szénszál alkatrészek már működnek

A technológia elmúlt a bemutató darabokon. Ezek az alkalmazások ma rendszeresen használhatók.

4.1 Szerszámok, szerkezetek és szerelvények

A gyártási mérnökök nyomtatott szénszált használnak fúrókhoz, igazítási szerelvényekhez, ellenőrző mérőkhöz és szerelési segédeszközökhöz. Ezek az alkatrészek gyakran egyszeri vagy alacsony mennyiségűek, és a nyomtatás eltávolítja mind a penészköltséget, mind az átviteli időt. A megerősített anyag merevsége megőrzi a rögzítő pontosságát ismételt használat során.

4.2 Repülőgépek és pilóta nélküli rendszerek

Pilóta nélküli légi járművek, drónkeretek és kis műholdas alkatrészek profitálnak a nyomtatott szénszálból, mert minden tervezési iteráció megváltoztatja a geometriát. A nyomtatás lehetővé teszi a csapatok számára, hogy napokon belül teszteljék az új keretet, ahelyett, hogy a szerszámra várnának. A tömegmegtakarítás közvetlenül átalakul a repülési időbe és a hasznos terhelési kapacitásba.

4.3 Orvosi berendezések és protézisek

A személyre szabott geometria normális az orvosi munkában. A nyomtatott szénszált ortotikus héjakhoz, protézis alkatrészekhez, pozícionálási keretekhez és képalkotó kiegészítőkhöz használják, ahol a merevség, az alacsony súly és a nem mágneses viselkedés fontos. Még akkor is, ha egy nyomtatott alkatrést később egy öntött gyártási változattal váltanak ki, a nyomtatás lerövidíti a szkenneléstől a szerelésig tartó utat.

4.4 Ipari és autóipari fejlesztés

Az autóipari csapatok szénszál erősített szerszámokat, karok végén lévő fogókat és prototípus szerkezeti alkatrészeket nyomtatnak. A verseny- és motorsport-programok nyomtatott kompozit anyagokra támaszkodnak az aerodinamikai tesztdabókhoz és a belső tartókhoz. Ipari környezetben a nyomtatott szénszál robot véghatások csökkentik a mozgó tömeget, ami javítja a ciklus idejét és pontosságát.

4.5 Energia-, tengeri- és sportalkalmazások

A szélenergia-csapatok kompozit szerszámokat és pengébetékeket nyomtatnak ki. A tengerészeti építők olyan penészeket és szerelvényeket nyomtatnak ki, amelyek ellenállnak a sós víznek. A sportberendezések fejlesztői prototípus kerékpár alkatrészeket, veszképeket és védőfelszereléseket nyomtatnak ki. Minden esetben a logika ugyanaz: egyéni geometria, szerény mennyiségek és súly nélküli merevség szüksége.

5. A nyomtatott kompozitok tervezési szabályai

A nyomtatott szénszál tervezése nem ugyanaz, mint a formázott kompozitok vagy a egyszerű műanyag nyomtatás tervezése. Néhány alapelv határozza meg, hogy egy rész működik-e vagy nem működik.

5.1 A terhelési út az első

Folyamatos szál segítségével a tervező vezérli a szál irányát, így a geometria befejezése előtt meg kell határozni a terhelési utat. A rostnak követnie kell a rész feszültségi irányát. Az egyik irányításban erős tartó gyenge lehet a másikban, és a nyomtató pontosan úgy reprodukálja ezt az anisztrópiát, ahogy tervezték.

5.2 Rétegorientáció és anisztrópia

A nyomtatott részek a leggyengébbek a rétegek között. Bármilyen tervezés, amely a főterhelést a réteghatárokon keresztül teszi, felhívja a delaminációt. Az építési orientáció forgatása vagy a kritikus régió körül folytonos rosthurok hozzáadása általában megoldja ezt, és ezt a megfontolást a tervezés felülvizsgálata során kell rendezni, nem pedig az első hiba után.

5.3 Falvastagság és rosttartalom

A vastagabb falak és a magasabb rosttartalom mind növelik a merevséget, mind növelik a nyomtatási időt és az ürességek kockázatát. Minden nyomtató és anyag számára van egy gyakorlati tartomány, és a túllépés általában belső hibákat okoz, amelyek csökkentik a nyereséget.

5.4 Fúvóka kopás és folyamat ellenőrzése

A szénszál kopó. A szabványos rézes fúvókák gyorsan kopnak, és a keményített acél vagy karbid alkatrészek a normák. A nyomtatási hőmérsékletet, áramlási sebességet és hűtést a megerősített anyaghoz kell beállítani, és a szál anyagainak következetes szárítását több, mint a legtöbb üzemeltető várja.

6. A nyomtatott kompozit anyagok összehasonlítása a hagyományos kompozit gyártással

A nyomtatás nem helyettesítette a felépítést, infúziót vagy pultrúziót. Ez egy másik pozíciót foglal el, és a választás általában a térfogat és a geometria.

6.1 Ahol nyer a nyomtatás

A nyomtatás akkor nyer, ha a geometria bonyolult, a mennyiségek alacsonyak, a tervezési változások gyakoriak, vagy az alkatrész egyszerűen nem lehet formázni. A szerszámköltség nélküli, a gyors iteráció és az integrált funkciók, mint például a csatornák, a főnökök és a rácsszerkezetek valódi előnyök, amelyekkel a hagyományos módszerek alacsony mennyiségben nem tudnak gazdaságosan megfelelni.

6.2 Ahol a hagyományos kompozitok még mindig vezetnek

A hagyományos módszerek még mindig uralkodnak, ahol a rost térfogati frakciójának magasnak kell lennie, ahol az autokláv minőségre van szükség, vagy ahol nagy folyamatos szerkezeteket gyártanak, mint például a hajótermek, a szélpengek és a repülőgépek panelei. A pultrudált szénszálprofilok és a nyomtatott prepreg alkatrészek szintén olyan konzisztenciát biztosítanak, amelyet a nyomtatás még nem felelt meg méretben.

6.3 Mindkettő használata ugyanabban a programban

A legpraktikusabb stratégiát gyakran kombinálják. A csapatok szénszál szerszámokat nyomtatnak a hagyományos kompozit alkatrészek előállítására, prototípus szerkezeteket nyomtatnak tesztelésre, majd a tervezés rögzítése után formázott vagy pultrudált gyártásra lépnek. Minden módszer azt teszi, ami a legjobb.

7. Mi a vásárlóknak kérdezniük kell a nyomtatott szénszál megadása előtt

A nyomtatott kompozit alkatrészek vagy az őket tápláló anyagok vásárlása ugyanazt a fegyelmet igényel, mint bármely kompozit beszerzési döntés.

7.1 Fiber forma és minőség

Kérdezze meg, hogy a rész vágott rostot, marált rostot vagy folyamatos vonást használ-e. A válasz meghatározza az elérhető merevséget, mint bármely más tényező. Kérjük a névleges rosttartalmat és az alappolimeret, mivel mindkettő befolyásolja a teljesítményt és az árat.

7.2 Mechanikai adatok és vizsgálati módszer

A nyomtatott kompozitok anisztrópok, így egy húzási szám nem elég. Keressen adatokat több irányba, és adott esetben interlamináris tulajdonságokat. Azok a beszállítók, akik megértik a nyomtatott kompozitokat, az általános anyaglap helyett orientációs adatokat fognak nyújtani.

7.3 A tételek közötti következetesség

A rosthosszúság elosztása, a méret és a nedvesség tartalma mind befolyásolja a nyomtathatóságot. A kötet-kötet konzisztencia fontosabb a nyomtatásban, mint sok más folyamatban, mert a kis változások közvetlenül terjednek a kész részbe.

7.4 Támogatás és alkalmazási tanácsadás

Az anyag és a folyamat kölcsönhatásban van. Egy beszállító, aki tanácsot tud adni a rost formájáról, a méretkompatibilitásról és a nyomtatási paraméterekről, jelentősen lerövidíti a fejlesztési ciklust, különösen a kompozit nyomtatásban új csapatok számára.

8. Outlook: A nyomtatott kompozitok szabványos opcióvá válnak

Az utazás iránya világos. A nyomtató hardvere egyre gyorsabb és nagyobb, a folyamatos szálrendszerek egyre képesebbek, és az anyagbeszállítók szélesebb körű erősített minőségeket kínálnak. Ahogy ezek javulnak, a nyomtatott szénszál a prototípus üzletekből rendszeres gyártásba lép, hogy növekvő alkatrészek listája legyen.

A kompozit ipar esetében ez inkább aditív, mint versenyképes. Az aditív gyártás új utat nyit meg a szénszál-termékek számára, ahol a rostnak nem kell penészre, hogy kész szerkezetvé váljon. Ez növeli a piacot, ahelyett, hogy megosztja.

Shanghai Tanchain New Material Technology szénsalat és aramid anyagokat szállít olyan formákban, amelyek mind a hagyományos kompozit gyártáshoz, mind a nyomtatott kompozit fejlesztéshez illeszkednek, beleértve a szénsalat vonót, vágott szénsalat, szénsalat szövet, szénsalat prepreg, aramid rost, előre oxidált rostfonal és előre oxidált rostfült. A szénszál 3D-s nyomtatással, kompozit szerszámokkal vagy nyomtatott szerkezeti alkatrészekkel foglalkozó csapatok szívesen vehetnek kapcsolatot velünk az anyag kiválasztásáért és az ajánlat támogatásáért.

Fedezze fel szénszál- és speciális szál termékkínálatunkat, vagy küldje el az alkalmazási adatait, hogy ajánljuk a megfelelő szál űrlapot a nyomtatott kompozit projektéhez.