Армовані волокном матеріали при виробництві добавок

Армовані волокном матеріали при виробництві добавок
Композиційні матеріали при 3D-друці

матеріали

Ральф Стек, незалежний журналіст-спеціаліст у галузі CAD/CAM, IT та машинобудування, Фрідріхсгафен

Зміст

Що таке армовані волокнами пластмаси

Принцип насправді дуже простий: волокна вбудовані в пластик, який потім масово збільшує міцність у напрямку волокон. Волокна, як правило, складаються зі скла (армований скловолокном пластик, GRP), вуглецевого волокна (армований вуглецевим волокном пластик, CFRP) або більш екзотичних матеріалів, таких як арамід або конопля. Натомість пластикова матриця, виготовлена ​​з термореактивного або термопластичного матеріалу, забезпечує збереження волокон на місці. Це створює компоненти, які витримують дивовижні навантаження, будучи легкими. Хороший приклад - лопаті вітрових турбін, які можуть мати довжину до 85 метрів і вгорі досягти швидкості понад 300 км/год.

В основному розрізняють два різні типи армованих скловолокном пластмас: довге волокно та коротковолокнисті матеріали.

  • ДВП із довгих волокон зазвичай виготовляють у формі, в яку вставляються волокнисті килимки та ремені, які в свою чергу просочуються епоксидною або поліефірною смолою. Це створює компоненти, в яких в ідеалі волокна безперервно проходять по всій довжині, що, звичайно, забезпечує дуже високу несучу здатність. Важливою особливістю цього матеріалу є його анізотропна поведінка - якщо ви розтягуєте заготовку нарізно в напрямку волокон, високі значення міцності скловолокна діють, а поперек волокна значно нижчі значення пластичної матриці. Це також може бути використано як перевага, розміщуючи волокна точно в напрямку витягування та залишаючи волокна в інших напрямках, щоб зменшити вагу.
  • Пластмаси з короткими волокнами містять короткі волокна довжиною від декількох міліметрів до декількох сантиметрів. Волокна, як правило, невпорядковані в пластиці, що значно зменшує анізотропну поведінку - частина волокон завжди знаходиться в напрямку витягування. Пластмаси з короткими волокнами також можна лити під тиском, і в цьому випадку волокна знову направляються сильніше в процесі ін’єкції. Тут часто використовують термопласти.

Волокна в 3D-друці

Цікаво, що обидва типи матеріалів також існують при 3D-друці. Хоча матеріали з короткими волокнами можна обробляти за допомогою процесу FDM на багатьох комерційних принтерах, Markforged Mark Two - це принтер, який вставляє матеріали з довгого волокна в деталі, які створює за допомогою процесу FDM.

Вибір армованих волокнами матеріалів для тривимірного друку постійно збільшується. Окрім добре відомого Carbon20 з 20-процентною часткою вуглецевих волокон, німецька RepRap GmbH, що базується у Фельдкірхені, тепер також пропонує дві нитки Zytel від Dupont, які змішуються з вуглецевими або скляними волокнами. Одна з ниток Дюпона складається з поліаміду з 20% вуглецевих волокон і поєднує термостійкість із стійкістю до хімічних речовин, розчинників, палива, автомобільних рідин та гідролізу. Він досягає міцності на вигин близько 5 - 6 ГПа і стабільний у розмірах до 159 ° C. Другий матеріал містить 30% скловолокна, дещо м'якший при 3 - 4 ГПа, але стабільний за розмірами до 166 ° C.

Стандартного принтера FDM достатньо для короткозернистого матеріалу

Перевага коротковолокнистих матеріалів полягає в тому, що їх можна обробляти на практично повністю стандартному принтері FDM. Єдину частину, яку слід замінити, це насадка. Зазвичай він складається з латуні, і цей матеріал сильно атакується ниткою абразивного волокна - отвір сопла швидко розширюється. Це можна виправити, наприклад, за допомогою форсунок з нержавіючої сталі, які на багатьох принтерах можна обміняти за кілька простих кроків.

Випадок використання для 3D-друку армованих волокнами матеріалів

Тож не дивно, що команда студентів Формули, як команда Elbflorace в TU Dresden, використовує ці матеріали для друку кріплень, корпусів, тримачів фурнітури та багато іншого. Студенти вже випробували найрізноманітніші технології виготовлення корпусу для друкованих плат датчиків, починаючи від анодованих металевих корпусів і закінчуючи коробками, ламінованими з вуглецевого волокна, до простої усадки у великій кількості термоусадочних трубок. З іншого боку, сучасні корпуси з 3D-принтом пов'язані не тільки з меншими зусиллями у виробництві; за словами Арміна Баккала, відповідального за датчики в команді, вони також є "найбільш функціональними, довговічними та найбільш ремонтопридатними корпусами".

Перед використанням 3D-принтера для корпусу CFRP потрібно було побудувати форму, нанести волокна, а потім затвердіти в автоклаві під вакуумом. Це зайняло принаймні два повних робочих дні, на відміну від 3D-друку, де справа завершується за кілька годин. TU Dresden в основному використовує матеріал Carbon20 для роботи з німецьким RepRap X400. При 6,2 ГПа він дуже стійкий до вигину, має низьке подовження при розриві близько 8 - 10% і може бути оброблений точно і з невеликими спотвореннями. Отже, готові деталі дуже стійкі та міцні.

Коротко пояснено процедуру безперервного виготовлення ниток (CFF)

Американець Грег Марк, який презентував у 2013 році принтер, що поєднує друк FDM та вставлення суцільних волокон у компонент, застосував інший підхід. Його компанія Markforged (розповсюджувана в Німеччині Mark3D GmbH в Ангельбурзі, серед інших) називає процес друку безперервним виготовленням ниток (CFF), в якому одна насадка, як і друк FDM, застосовує звичайний нейлоновий матеріал, тоді як друга насадка вставляє волоконний шнур у друковану частину. Нарешті, перша друкуюча головка знову друкує нейлон на шнурі, щоб волокна закріпилися в компоненті. Ви можете вибрати зі склопластику, високотемпературного склопластику, кевлару та вуглецевого волокна. Markforged тепер також пропонує нейлон з вуглецевими волокнами з короткими волокнами, завдяки чому довгі та короткі волокна можна поєднувати.

Наприклад, компанія Siemens Gas & Energie використовує спеціальні інструменти на своєму заводі у Флориді для обробки корпусів газових турбін. До цього часу придбані стандартні ручні інструменти, які були перероблені вручну, щоб вони відповідали відповідній обробній ситуації та площі корпусу, що підлягає обробці. Це було дуже дорого і зайняло щонайменше три тижні, оскільки деталі для переробки виготовляли на Філіппінах.

Зараз фахівці Siemens друкують ці компоненти на принтері Markforged X7 і доповнюють їх стандартним ручним приводом та відповідними інструментами. Для цього вони використовують найміцнішу комбінацію матеріалів, виготовлених з оніксу з короткими волокнами та вуглецевим волокном. Інженер Siemens Сем Дікпетріс каже: “Міцність нескінченного вуглецевого волокна справді вражає. Якщо у вас є пластикова деталь, яка виглядає і виглядає як пластикова, але має надзвичайну стійкість, усі вражені ".

Siemens Gas & Energy економить величезні кошти завдяки 3D-друку: час ремонту турбін скорочується від тижнів до днів, а друковані інструменти для кожного замовника коштують на 8000 доларів дешевше, ніж раніше виготовлені вручну машини.

Висновок

3D-друковані компоненти з армованого волокном пластику можуть досягати або навіть перевищувати показники міцності металевих деталей - причому з меншою вагою. Невеликими партіями варто розглядати цю технологію як альтернативу звичайним методам виробництва. У певних сценаріях використання 3D-друку навіть варто для більших обсягів. І як метод виготовлення реалістичних зразків для армованих скловолокном деталей з литтям під тиском, 3D-друк на цих матеріалах, безумовно, підходить. співпраця

Вичерпна інформація про процеси та приклади застосування аддитивного виробництва наведена на тему 3D-друку конструкцією KEM: