Материјали засилени со влакна во производството на адитиви
Материјали засилени со влакна во производството на адитиви
Композитни материјали во 3Д печатење
Ралф Штек, хонорарен специјалист новинар за областите CAD/CAM, IT и машински инженеринг, Фридрихсхафен
Содржина
Кои се пластиките армирани со влакна
Принципот е всушност многу едноставен: влакната се вградени во пластика, која потоа масовно ја зголемува јачината во правец на влакната. Влакната обично се состојат од стакло (армирано пластично влакно, GRP), јаглеродни влакна (пластика засилена со јаглеродни влакна, CFRP) или повеќе егзотични материјали како арамид или коноп. За возврат, пластичната матрица изработена од терморегулатор или термопластична гарантира дека влакната остануваат на место. Ова создава компоненти што можат да издржат неверојатни оптоварувања додека се лесни. Добар пример се ножевите на ветерните турбини, кои можат да бидат долги до 85 метри и да достигнат брзина од над 300 км/ч на врвот.
Во основа, се прави разлика помеѓу два различни вида на армирано пластични влакна: материјали со долги влакна и кратки влакна.
- GRP со долги влакна обично се прави во форма во која се вметнуваат душеци и ремени со влакна, кои пак се импрегнираат со епоксидна или полиестерска смола. Ова создава компоненти во кои, идеално, влакната поминуваат непрекинато низ целата должина, што секако обезбедува многу голема носивост. Важна карактеристика на овој материјал е неговото анизотропско однесување - ако издвоите работно парче, во правец на влакната, дејствуваат високите вредности на цврстина на стаклено влакно, а преку влакната значително пониските вредности на пластичната матрица. Ова исто така може да се користи како предност со тоа што влакната се поставени точно во насока на влечење, а влакната се изоставени во други насоки за да се намали тежината.
- Пластиките со кратки влакна содржат кратки влакна во должина од неколку милиметри до неколку сантиметри. Влакната обично се наоѓаат на нарушен начин во пластиката, што во голема мера го намалува анизотропското однесување - некои од влакната се секогаш во насока на влечење. Пластиките со кратки влакна исто така може да се обликуваат со инјектирање, во кој случај влакната повторно се насочуваат посилно од процесот на инјектирање. Тука често се користат термопластични.
Влакна во 3Д печатење
Интересно е што двата типа материјали, исто така, постојат во 3Д печатење. Додека материјалите со кратки влакна можат да се обработуваат со користење на процесот FDM на многу комерцијално достапни печатари, Markforged Mark Two е печатач кој вметнува материјали со долги влакна во делови што ги создава со помош на процесот FDM.
Изборот на материјали засилени со влакна за 3Д печатење постојано се зголемува. Покрај добро познатиот Carbon20 со 20% учество на јаглеродни влакна, германскиот RepRap GmbH со седиште во Фелдкирхен сега нуди и две Zytel нишки од Dupont, кои се мешаат со јаглеродни или стаклени влакна. Една од нишките на Дупонт се состои од полиамид со 20% јаглеродни влакна и комбинира отпорност на топлина со отпорност на хемикалии, растворувачи, горива, автомобилски флуиди и хидролиза. Постигнува јачина на свиткување од околу 5 - 6 GPa и е димензионално стабилен до 159 ° C. Вториот материјал содржи 30% стаклени влакна, е нешто помек на 3 - 4 GPa, но е димензионално стабилен до 166 ° C.
Стандардниот печатач FDM е доволен за материјал со кратки зрна
Предноста на материјалите со кратки влакна е тоа што тие можат да се обработуваат во практично целосно стандарден печатач FDM. Единствениот дел што треба да се замени е млазницата. Ова обично се состои од месинг и овој материјал е силно нападнат од абразивно влакно - отворот на млазницата брзо се шири. Ова може да се отстрани, на пример, со млазници од не'рѓосувачки челик, кои на многу печатари можат да се заменат со неколку едноставни чекори.
Користете случај за 3Д печатење на материјали засилени со влакна
Затоа, не е ни чудо што тимот на Формула Студент, како тимот на Elbflorace на ТУ Дрезден, ги користи овие материјали за печатење држачи, куќишта, држачи за фитинзи и многу повеќе. Студентите веќе тестираа широк спектар на технологии на производство за куќиште за плочите за сензори, од анодизирани метални куќишта до кутии кои беа ламинирани од јаглеродни влакна до едноставно намалување на многу цевки за смалување. Тековните куќишта со 3Д-отпечаток, од друга страна, не само што беа поврзани со помалку напор за време на производството; според Армин Бакал, одговорен за сензорите во тимот, тие се и „најфункционалните, најтрајните и најдобро одржливите куќишта.
Пред да го користите 3Д печатачот, требаше да се изгради калап за куќиштето CFRP, влакната да се нанесат и потоа да се излечат во автоклав под вакуум. Ова траеше најмалку два полни работни дена, за разлика од 3Д-печатењето, каде што случајот е завршен за неколку часа. ТУ Дрезден главно го користи материјалот Carbon20 за својата работа со германскиот RepRap X400. На 6,2 GPa, тој е многу отпорен на виткање, има мала издолженост при пауза од околу 8-10% и може да се обработи со прецизно вклопување и со мала војна. Завршените делови се многу отпорни и робусни.
Накратко образложена постапка за изработка на континуирано влакно (CFF)
Американецот Грег Марк, кој во 2013 година претстави печатач кој комбинира печатење FDM и вметнување на континуирани влакна во компонентата, презеде поинаков пристап. Неговата компанија Markforged (дистрибуирана во Германија од Mark3D GmbH во Ангелбург, меѓу другите) го нарекува процесот на печатење Изработка на континуирано влакно (CFF), во која една млазница, како и при печатење FDM, нанесува конвенционален најлонски материјал, додека втората млазница вметнува кабел со влакна во печатениот дел. Конечно, првата глава за печатење повторно печати најлон на кабелот, така што влакната се фиксираат во компонентата. Можете да изберете од стаклени влакна, стаклени влакна со висока температура, кевлар и јаглеродни влакна. Markforged сега нуди и најлон со кратки влакна од јаглеродни влакна, за да можат да се комбинираат долгите и кратките влакна.
На пример, Сименс Гас и Енерџи користат специјални алатки во својата фабрика во Флорида за да ги обработи куќиштата на гасните турбини. Досега, купени се стандардни рачни алатки и тие се обновени рачно така што да одговараат на соодветната состојба на обработка и областа на куќиштето што треба да се обработи. Тоа беше многу скапо и траеше најмалку три недели, бидејќи деловите за пренамена беа направени на Филипини.
Специјалистите на Сименс сега ги печатат овие компоненти на печатачот Markforged X7 и ги надополнуваат со стандарден погон за рачни алатки и соодветни алатки. За да го направат ова, тие користат најсилна комбинација на материјали направени од оникс со кратки влакна и јаглеродни влакна. Инженерот на Сименс, Сем Дикпетрис вели: „Јачината на бесконечните јаглеродни влакна е навистина импресивна. Ако имате пластичен дел што се чувствува и изгледа како пластичен дел, но го има ова огромна стабилност, сите се воодушевени “.
Сименс Гас и Енергија заштедуваат огромни суми пари преку 3Д печатење: времето за поправка на турбините се намалува од неколку дена во денови, а печатените алати специфични за клиентите се по цена од по 8.000 УСД поевтини од претходно изработените машини.
Заклучок
3Д-печатени компоненти изработени од пластика зајакната со влакна можат да ги достигнат или дури и да ги надминат вредностите на јакоста на металните делови - и тоа со помала тежина. Во мали серии, вреди да се разгледа оваа технологија како алтернатива на конвенционалните методи на производство. Во одредени сценарија, употребата на 3Д печатење е дури и вредна за поголеми количини. И, како метод за производство на реални прототипи за делови со облик на инјектирање зајакнат со фиберглас, дефинитивно е соодветно 3Д печатење со овие материјали. ко
Обемни информации за процесите и примерите за примена на производство на адитиви се дадени на тема 3Д печатење од конструкцијата на КЕМ: