Sợi carbon trong in 3D: Sản xuất phụ gia đang định hình lại các bộ phận hợp chất như thế nào

Sợi carbon trong in 3D: nơi sản xuất phụ gia gặp các hợp chất hiệu suất cao

Trong nhiều năm, sợi carbon và in 3D đã sống trong các thế giới riêng biệt. Composite thuộc về autoclaves, khuôn, và laminators kỹ năng. Sản xuất phụ gia thuộc về các nguyên mẫu, dấu khung và nhựa rẻ nhưng yếu. Sự tách biệt đó đã biến mất. Sợi carbon trong in 3D bây giờ là một tuyến đường sản xuất thực sự, và nó đã lặng lẽ thay đổi những gì một máy in có thể xây dựng.

Lý do rất đơn giản. In cho sự tự do của hình học, trong khi sợi carbon cho độ cứng và sức mạnh. Đặt hai cùng nhau và bạn có được các bộ phận nhẹ, cứng nhắc và có hình dạng theo cách mà đúc không thể dễ dàng sao chép. Đối với các ngành công nghiệp cần cấu trúc tùy chỉnh với khối lượng thấp đến trung bình, sự kết hợp này khó bỏ qua.

Bài viết này bao gồm cách sợi carbon được sử dụng trong sản xuất phụ gia, các hình thức vật liệu nào hoạt động tốt nhất, các phương pháp in ấn quan trọng và những gì người mua nên xem xét trước khi chỉ định các bộ phận tổng hợp in.

1. Tại sao Sản xuất phụ gia cần một vật liệu cứng hơn

Sợi in tiêu chuẩn như PLA, PETG và ABS rất thuận tiện, nhưng giới hạn cơ học của chúng xuất hiện nhanh chóng. Một in khung flexes. Một jig in trôi nổi dưới tải. Một nhà ở in bò trong điều kiện ấm áp. Các kỹ sư nhanh chóng đạt đến điểm mà một mình hình học không thể bù đắp cho một vật liệu mềm.

1.1 Khoảng cách độ cứng trong các bộ phận nhựa

Mô-đun kéo cho nhựa in phổ biến nằm trong phạm vi thấp, thường giữa 2 và 3,5 GPa. Nhôm là khoảng 70 GPa. Khoảng cách đó giải thích tại sao các bộ phận nhựa in cảm thấy linh hoạt và tại sao chúng hiếm khi được tin tưởng cho nhiệm vụ cấu trúc. Thêm sợi carbon không biến nhựa thành kim loại, nhưng nó có thể làm tăng độ cứng nhiều lần và cắt giảm sự mở rộng nhiệt cùng một lúc.

1.2 Sợi carbon thực sự thay đổi gì

Tăng cường sợi carbon cắt hoặc liên tục cải thiện ba điều cùng một lúc: độ cứng, ổn định chiều và sức mạnh. Các bộ phận giữ hình dạng của họ tốt hơn dưới tải, uốn cong ít hơn khi được nóng và chống lại biến dạng lâu hơn. Sự thanh toán là vật liệu trở nên mài mòn hơn, đắt hơn và ít tha thứ hơn để in, đó là lý do tại sao kiểm soát quy trình quan trọng hơn so với sợi thông thường.

2. Các tuyến đường chính để in 3D sợi carbon

Không có cách duy nhất để in composite sợi carbon. Bốn cách tiếp cận bao gồm hầu hết các công nghiệp và hội thảo sử dụng ngày nay, và mỗi một phù hợp với một sự cân bằng khác nhau về chi phí, sức mạnh và sự phức tạp.

2.1 In sợi củng cố sợi ngắn

Đây là con đường dễ tiếp cận nhất. Sợi carbon cắt được kết hợp thành một viên nhiệt nhựa, sau đó đùn thành sợi cho máy in FDM. Các bộ phận được làm theo cách này cứng hơn và ổn định hơn nhựa không tăng cường, và yêu cầu thiết bị là khiêm tốn.

Giới hạn là chiều dài sợi và định hướng. Sợi ngắn và được phân phối ngẫu nhiên, vì vậy gia cố là đồng nhất nhưng vừa phải. Tuyến đi này phù hợp với các thiết bị lắp ráp, jigs, vỏ và các nguyên mẫu chức năng hơn là các thành viên cấu trúc chính.

2.2 In sợi liên tục

In sợi liên tục cung cấp cho một sợi carbon khô kéo hoặc một sợi impregnated trước bên cạnh thermoplastic, đặt sợi dài chính xác nơi tải di chuyển. Kết quả là một cấu trúc tổng hợp thực sự thay vì nhựa đầy.

Sức mạnh và độ cứng nhảy mạnh so với in sợi ngắn, bởi vì sợi mang tải liên tục. Các nhà thiết kế có thể sắp xếp sợi dọc theo một trục uốn hoặc xung quanh một lỗ, đó là nơi các bộ phận in thường thất bại. Phương pháp này chậm hơn và cần phần cứng chuyên dụng, nhưng đối với khung dấu cấu trúc và khung chịu tải, nó thường là tùy chọn in duy nhất hoạt động.

2.3 Pellet và đùn định dạng lớn

Máy in dựa trên viên bỏ qua sợi hoàn toàn và đùn sợi carbon tăng cường nhiệt nhựa trực tiếp từ viên. Chi phí vật liệu giảm, tỷ lệ trầm tích tăng và kích thước bộ phận tăng. Máy định dạng lớn trong danh mục này sản xuất khuôn, công cụ và cấu trúc quá lớn sẽ không thực tế để in bằng sợi.

2.4 In composite kết hợp với layout truyền thống

Một cách tiếp cận lai in một lõi tăng cường bằng sợi carbon hoặc xương bên trong, sau đó lớp phủ vải sợi carbon và nhựa bằng tay hoặc bằng cách truyền chân không. Điều này kết hợp sự tự do hình học của in với tỷ lệ khối lượng sợi cao của công việc tổng hợp cổ điển. Nó phổ biến trong công cụ, nguyên mẫu và sản xuất khối lượng thấp nơi hiệu suất quan trọng hơn thời gian chu kỳ.

3. Các mẫu vật liệu cung cấp cho quá trình

Chất lượng tổng hợp in phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu đầu vào. Các dạng sợi khác nhau phục vụ các chiến lược in khác nhau và hiểu chúng giúp người mua xác định đúng lớp.

3.1 Sợi carbon cắt và xay

Sợi carbon cắt và các lớp xay là những con ngựa làm việc của sản xuất sợi và viên. Chiều dài sợi được kiểm soát trong khi cắt, và nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng, hành vi dòng chảy và kết thúc bề mặt. Sợi ngắn hơn in dễ dàng hơn, trong khi sợi dài hơn củng cố tốt hơn.

3.2 Dây kéo liên tục và sợi Prepreg

In sợi liên tục dựa vào kéo sợi carbon, đôi khi được impregnated trước với nhựa. Đặc điểm kỹ thuật kéo như số lượng sợi và khả năng tương thích kích thước xác định mức độ liên kết sợi với ma trận nhiệt nhựa. Lựa chọn một chiếc kéo có kích thước phù hợp với polymer là một trong những chi tiết phổ biến nhất bị bỏ qua trong công việc tổng hợp in.

3.3 Vật liệu hỗ trợ trong cùng một xây dựng

Các bộ phận hợp chất hiếm khi là một vật liệu. Sợi aramid và các sản phẩm sợi oxy hóa trước, bao gồm sợi sợi oxy hóa và cảm thấy sợi oxy hóa, xuất hiện trong các lắp ráp in nơi cần khả năng chịu đựng tác động, chống cháy hoặc cách nhiệt. Một khung máy bay không người lái in, ví dụ, có thể sử dụng sợi carbon cho độ cứng và aramid cho các khu vực có tác động.

4. Nơi các bộ phận sợi carbon in đã làm việc

Công nghệ đã vượt qua các mảnh biểu diễn. Các ứng dụng này được sử dụng thường xuyên ngày nay.

4.1 Dụng cụ, Jigs và Thiết bị

Kỹ sư sản xuất sử dụng sợi carbon in cho máy khoan, thiết bị liên kết, máy đo kiểm tra và trợ giúp lắp ráp. Những bộ phận này thường là một lần hoặc khối lượng thấp, và in loại bỏ cả chi phí khuôn và thời gian dẫn. Độ cứng của vật liệu gia cố giữ cho thiết bị cố định chính xác thông qua việc sử dụng lặp đi lặp lại.

4.2 Hệ thống không gian và không người lái

Các phương tiện không người lái, khung máy bay không người lái và các thành phần vệ tinh nhỏ được hưởng lợi từ sợi carbon in bởi vì mỗi lặp lại thiết kế thay đổi hình học. In cho phép các nhóm thử nghiệm một khung mới trong vài ngày thay vì chờ đợi công cụ. Tiết kiệm trọng lượng được dịch trực tiếp thành thời gian bay và khả năng tải trọng.

4.3 Thiết bị y tế và giả tạo

Hình học tùy chỉnh là bình thường trong công việc y tế. Sợi carbon in được sử dụng cho vỏ chỉnh hình, thành phần giả, khung định vị và phụ kiện hình ảnh nơi độ cứng, trọng lượng thấp và hành vi không từ tính quan trọng. Ngay cả khi một phần in sau đó được thay thế bằng một phiên bản sản xuất đúc, in rút ngắn con đường từ quét đến lắp ráp.

4.4 Phát triển công nghiệp và ô tô

Các nhóm ô tô in công cụ gia cố sợi carbon, tay nắm cuối tay và các bộ phận cấu trúc nguyên mẫu. Các chương trình đua xe và thể thao ô tô dựa vào các chất tổng hợp in cho các mảnh thử nghiệm khí động học và dấu khung bên trong. Trong các môi trường công nghiệp, các tác động cuối robot sợi carbon in làm giảm khối lượng di chuyển, cải thiện thời gian chu kỳ và độ chính xác.

4.5 Ứng dụng năng lượng, biển và thể thao

Các nhóm năng lượng gió in công cụ tổng hợp và chèn lưỡi. Các nhà xây dựng hàng hải in khuôn và phụ kiện chống nước muối. Các nhà phát triển thiết bị thể thao in các thành phần xe đạp nguyên mẫu, lưỡi chèo và vỏ bánh răng bảo vệ. Trong mọi trường hợp, logic là giống nhau: hình học tùy chỉnh, khối lượng khiêm tốn và nhu cầu độ cứng mà không có trọng lượng.

5. Quy tắc thiết kế mà composites in theo

Thiết kế cho sợi carbon in không giống như thiết kế cho các hợp chất đúc hoặc cho in nhựa đơn giản. Một vài nguyên tắc quyết định xem một phần có thực hiện hay không.

5.1 Load Path Đầu tiên

Với sợi liên tục, nhà thiết kế kiểm soát hướng sợi, vì vậy đường dẫn tải phải được xác định trước khi hình học được hoàn thành. Sợi nên theo hướng căng thẳng của bộ phận. Một dấu khoang mạnh ở một định hướng có thể yếu ở một định hướng khác, và máy in sẽ tái tạo anisotropy đó chính xác như được thiết kế.

5.2 Lớp định hướng và Anisotropy

Các bộ phận in yếu nhất giữa các lớp. Bất kỳ thiết kế nào đặt tải chính qua ranh giới lớp đều mời phân tán. Quay định hướng xây dựng hoặc thêm vòng sợi liên tục xung quanh khu vực quan trọng thường giải quyết nó, và sự cân nhắc này nên được giải quyết trong quá trình xem xét thiết kế thay vì sau khi thất bại đầu tiên.

5.3 Độ dày tường và nội dung sợi

Các bức tường dày hơn và hàm lượng sợi cao hơn đều làm tăng độ cứng, nhưng chúng cũng làm tăng thời gian in và nguy cơ rỗng. Có một phạm vi thực tế cho mỗi máy in và vật liệu, và vượt qua nó thường tạo ra lỗi nội bộ làm giảm lợi nhuận.

5.4 Phun mòn và kiểm soát quy trình

Sợi carbon là mài mòn. Các vòi phun đồng bằng tiêu chuẩn mòn nhanh chóng, và các thành phần thép cứng hoặc cacbua là tiêu chuẩn. Nhiệt độ in, tỷ lệ dòng chảy và làm mát phải được điều chỉnh cho vật liệu gia cố, và sấy khô nhất quán của các vấn đề sợi nhiều hơn hầu hết các nhà vận hành mong đợi.

6. So sánh hợp chất in với sản xuất hợp chất truyền thống

In không thay thế layout, infusion hoặc pultrusion. Nó chiếm một vị trí khác nhau, và sự lựa chọn thường xuống đến khối lượng và hình học.

6.1 Nơi in giành chiến thắng

In giành chiến thắng khi hình học phức tạp, khối lượng thấp, thay đổi thiết kế thường xuyên hoặc phần đơn giản là không thể được đúc. Không có chi phí công cụ, lặp lại nhanh chóng và các tính năng tích hợp như các kênh, ông chủ và cấu trúc lưới là những lợi thế thực sự mà các phương pháp truyền thống không thể phù hợp về mặt kinh tế ở khối lượng thấp.

6.2 Nơi mà các hợp chất truyền thống vẫn dẫn đầu

Các phương pháp truyền thống vẫn thống trị nơi tỷ lệ khối lượng sợi phải cao, nơi chất lượng autoclave được yêu cầu, hoặc nơi các cấu trúc liên tục lớn như thân thuyền, lưỡi gió và tấm máy bay được sản xuất. Các hồ sơ sợi carbon được ép và các bộ phận prepreg được ép cũng cung cấp sự nhất quán mà in chưa phù hợp với quy mô.

6.3 Sử dụng cả hai trong cùng một chương trình

Chiến lược thực tế nhất thường được kết hợp. Các nhóm in công cụ sợi carbon để sản xuất các bộ phận tổng hợp truyền thống, in cấu trúc nguyên mẫu để thử nghiệm, sau đó chuyển sang sản xuất đúc hoặc đúc một khi thiết kế được cố định. Mỗi phương pháp đều làm những gì tốt nhất.

7. Những gì người mua nên hỏi trước khi chỉ định sợi carbon in

Mua các bộ phận tổng hợp in hoặc vật liệu cung cấp cho chúng đòi hỏi cùng một kỷ luật như bất kỳ quyết định cung cấp tổng hợp nào.

7.1 Hình thức và lớp sợi

Hỏi xem bộ phận có sử dụng sợi cắt, sợi xay hoặc kéo liên tục không. Câu trả lời xác định độ cứng có thể đạt được hơn bất kỳ yếu tố nào khác. Yêu cầu hàm lượng sợi danh nghĩa và polymer cơ sở, vì cả hai đều ảnh hưởng đến hiệu suất và giá cả.

7.2 Dữ liệu cơ học và phương pháp thử nghiệm

Các hợp chất in là anisotropic, vì vậy một số kéo duy nhất là không đủ. Tìm dữ liệu theo nhiều hướng và, khi có liên quan, các thuộc tính interlaminar. Các nhà cung cấp hiểu các hợp chất in sẽ cung cấp dữ liệu nhận thức định hướng thay vì một tấm vật liệu chung.

7.3 Tính nhất quán giữa các lô

Phân phối chiều dài sợi, kích thước và hàm lượng độ ẩm đều ảnh hưởng đến khả năng in. Sự nhất quán từ lô đến lô quan trọng hơn trong in so với nhiều quy trình khác, bởi vì những thay đổi nhỏ lan truyền trực tiếp vào phần hoàn thành.

7.4 Hỗ trợ và tư vấn ứng dụng

Vật liệu và quá trình tương tác. Một nhà cung cấp có thể tư vấn về dạng sợi, khả năng tương thích kích thước và các thông số in làm ngắn chu kỳ phát triển đáng kể, đặc biệt là cho các nhóm mới in composite.

8. Outlook: Composite in đang trở thành một lựa chọn tiêu chuẩn

Hướng đi là rõ ràng. Phần cứng máy in đang trở nên nhanh hơn và lớn hơn, các hệ thống sợi liên tục đang trở nên có khả năng hơn và các nhà cung cấp vật liệu đang cung cấp một phạm vi rộng hơn của các lớp tăng cường. Khi những điều này cải thiện, sợi carbon in sẽ chuyển từ các cửa hàng nguyên mẫu sang sản xuất thường xuyên cho một danh sách các bộ phận ngày càng tăng.

Đối với ngành công nghiệp hợp chất, điều này là phụ gia hơn là cạnh tranh. Sản xuất phụ gia mở ra một con đường mới cho các sản phẩm sợi carbon, một trong đó sợi không cần một khuôn để trở thành một cấu trúc hoàn thành. Điều này mở rộng thị trường thay vì chia rẽ nó.

Công nghệ vật liệu mới Shanghai Tanchain cung cấp vật liệu sợi carbon và aramid dưới dạng phù hợp với cả sản xuất hợp chất truyền thống và phát triển hợp chất in, bao gồm kéo sợi carbon, sợi carbon cắt, vải sợi carbon, sợi carbon prepreg, sợi aramid, sợi sợi oxy hóa trước và cảm thấy sợi oxy hóa trước. Các nhóm làm việc trên in 3D sợi carbon, công cụ tổng hợp hoặc các bộ phận cấu trúc in được chào đón để liên hệ với chúng tôi để lựa chọn vật liệu và hỗ trợ báo giá.

Khám phá phạm vi sản phẩm sợi carbon và sợi đặc biệt của chúng tôi, hoặc gửi chi tiết ứng dụng của bạn để chúng tôi có thể đề nghị mẫu sợi phù hợp cho dự án tổng hợp in của bạn.