Подсилени с влакна материали в производството на добавки
Подсилени с влакна материали в производството на добавки
Композитни материали при 3D печат
Ралф Стек, журналист на свободна практика за CAD/CAM, IT и машиностроене, Фридрихсхафен
Съдържание
Какво представляват пластмасите, подсилени с влакна
Принципът всъщност е съвсем прост: влакната са вградени в пластмаса, която след това значително увеличава якостта в посока на влакната. Влакната обикновено се състоят от стъкло (пластмаса, подсилена със стъклени влакна, GRP), въглеродни влакна (подсилена с въглеродни влакна пластмаса, CFRP) или по-екзотични материали като арамид или коноп. В замяна на това пластмасовата матрица, изработена от термореактивна или термопластична, гарантира, че влакната остават на място. Това създава компоненти, които могат да издържат на удивителни натоварвания, докато са леки. Добър пример са лопатките на вятърните турбини, които могат да бъдат дълги до 85 метра и да достигнат скорост над 300 км/ч в горната част.
По принцип се прави разлика между два различни вида пластмаси, подсилени със стъклени влакна: дълги влакна и материали с къси влакна.
- GRP с дълги влакна обикновено се изработва във форма, в която се вмъкват влакнести постелки и колани, които от своя страна се импрегнират с епоксидна или полиестерна смола. Това създава компоненти, в които в идеалния случай влакната се движат непрекъснато по цялата дължина, което, разбира се, осигурява много висока товароносимост. Важна характеристика на този материал е неговото анизотропно поведение - ако издърпате детайла в посока на влакната, действат високите стойности на якост на стъклените влакна, а през влакното значително по-ниските стойности на пластмасовата матрица. Това може да се използва и като предимство, тъй като влакната се поставят точно в посоката на изтегляне и влакната се пропускат в други посоки, за да се намали теглото.
- Пластмасите с къси влакна съдържат къси влакна с дължина между няколко милиметра и няколко сантиметра. Влакната обикновено са в неподредена форма в пластмасата, което значително намалява анизотропното поведение - някои от влакната винаги са в посока на изтегляне. Пластмасите с къси влакна също могат да бъдат шприцовани, като в този случай влакната отново са насочени по-силно от инжекционния процес. Тук често се използват термопласти.
Фибри в 3D печат
Интересното е, че и двата вида материали съществуват и при 3D печат. Докато материалите с къси влакна могат да бъдат обработвани с помощта на процеса FDM на много търговски принтери, Markforged Mark Two е принтер, който вмъква материали с дълги влакна в части, които създава с помощта на процеса FDM.
Изборът на подсилени с влакна материали за 3D печат непрекъснато се увеличава. В допълнение към добре познатия Carbon20 с 20% дял на въглеродните влакна, базираната в Фелдкирхен немска RepRap GmbH сега предлага и две нишки Zytel от Dupont, които са смесени с въглеродни или стъклени влакна. Една от нишките на Dupont се състои от полиамид с 20% въглеродни влакна и комбинира топлоустойчивост с устойчивост на химикали, разтворители, горива, автомобилни течности и хидролиза. Той постига якост на огъване около 5 - 6 GPa и е стабилен по размер до 159 ° C. Вторият материал съдържа 30% стъклени влакна, малко по-мек е при 3 - 4 GPa, но е стабилен по размер до 166 ° C.
Стандартният FDM принтер е достатъчен за късозърнест материал
Предимството на материалите с къси влакна е, че те могат да бъдат обработени на практически напълно стандартен FDM принтер. Единствената част, която трябва да бъде заменена, е дюзата. Това обикновено се състои от месинг и този материал е силно атакуван от нишката на абразивното влакно - отворът на дюзата се разширява бързо. Това може да бъде отстранено, например, чрез дюзи от неръждаема стомана, които на много принтери могат да се сменят в няколко прости стъпки.
Случай за употреба за 3D печат на армирани с влакна материали
Така че не е чудно, че екип от Формула Студент като екипа Elbflorace в TU Dresden използва тези материали за отпечатване на стойки, корпуси, държачи на фитинги и много други. Студентите вече бяха тествали голямо разнообразие от производствени технологии за корпус за платките на сензора, от анодизирани метални корпуси до кутии, които са ламинирани от въглеродни влакна до просто свиване в много свиващи се тръби. Настоящите 3D отпечатани корпуси, от друга страна, бяха свързани не само с по-малко усилия при производството; според Армин Бакал, отговарящ за сензорите в екипа, те са и „най-функционалните, най-трайните и най-добре поддържаните корпуси“.
Преди да се използва 3D принтера, трябваше да се изгради калъп за корпуса на CFRP, влакната да се нанесат и след това да се втвърдят в автоклав под вакуум. Това отне поне два пълни работни дни, за разлика от триизмерния печат, когато делото приключва за броени часове. TU Dresden използва основно материала Carbon20 за работата си с немския RepRap X400. При 6.2 GPa това е много устойчиво на огъване, има ниско удължение при скъсване от около 8 - 10% и може да бъде обработено прецизно и с малко изкривяване. Следователно готовите части са много устойчиви и здрави.
Процедурата за непрекъснато производство на нишки (CFF) е обяснена накратко
Американецът Грег Марк, който през 2013 г. представи принтер, който съчетава FDM печат и вмъкването на непрекъснати влакна в компонента, възприе различен подход. Неговата компания Markforged (продавана в Германия от Mark3D GmbH в Ангелбург, наред с други) нарича процеса на печат непрекъснато производство на нишки (CFF), при който дюзата, както при печата FDM, прилага конвенционален найлонов материал, докато втора дюза вкарва влакнест шнур в печатаната част. И накрая, първата печатаща глава отново отпечатва найлон върху кабела, така че влакната да са фиксирани в компонента. Можете да избирате между фибростъкло, високотемпературно фибростъкло, кевлар и въглеродни влакна. Markforged вече предлага и найлон с къси влакна от въглеродни влакна, така че дълги и къси влакна могат да се комбинират.
Например Siemens Gas & Energie използва специални инструменти в завода си във Флорида, за да обработва корпусите на газовите турбини. Досега са закупени стандартни ръчни инструменти, които са преустроени на ръка, така че да отговарят на съответната ситуация на обработка и площта на корпуса, който трябва да бъде обработен. Това беше много скъпо и отне поне три седмици, тъй като частите за преобразуването бяха направени във Филипините.
Сега специалистите на Siemens отпечатват тези компоненти на принтер Markforged X7 и ги допълват със стандартно ръчно задвижване и подходящите инструменти. За целта те използват най-силната комбинация от материали, направени от оникс с къси влакна и въглеродни влакна. Инженерът на Siemens Сам Дипетрис казва: „Силата на безкрайните въглеродни влакна е наистина впечатляваща. Ако имате пластмасова част, която се чувства и прилича на пластмасова част, но има тази огромна стабилност, всички са изумени. "
Siemens Gas & Energy спестява огромни суми чрез 3D печат: времето за ремонт на турбините се намалява от седмици на дни, а специфичните за клиента печатни инструменти са с по 8000 щатски долара по-евтини от предишните ръчно изработени машини.
Заключение
3D отпечатаните компоненти, изработени от подсилена с влакна пластмаса, могат да достигнат или дори да надхвърлят стойностите на якостта на металните части - и това с по-ниско тегло. В малки серии си струва да се разгледа тази технология като алтернатива на конвенционалните производствени методи. В определени сценарии използването на 3D печат дори си струва за по-големи количества. И като метод за производство на реалистични прототипи за инжекционни формовани части, подсилени с фибростъкло, 3D печатът с тези материали определено е подходящ. съвместно
Обширна информация за процесите и примери за приложение на производството на добавки е предоставена по темата за 3D печат от KEM construction: