Materiale întărite cu fibre în fabricarea aditivă
Materiale întărite cu fibre în fabricarea aditivă
Materiale compozite în imprimarea 3D
Ralf Steck, jurnalist specialist independent pentru CAD/CAM, IT și inginerie mecanică, Friedrichshafen
Cuprins
Ce sunt materialele plastice armate cu fibre
Principiul este de fapt destul de simplu: fibrele sunt încorporate într-un plastic, care apoi măresc masiv rezistența în direcția fibrelor. Fibrele constau de obicei din sticlă (plastic armat cu fibră de sticlă, GRP), fibră de carbon (plastic armat cu fibră de carbon, CFRP) sau materiale mai exotice precum aramida sau cânepa. În schimb, matricea de plastic confecționată din material termoizolant sau termoplastic asigură menținerea fibrelor în poziție. Acest lucru creează componente care pot suporta sarcini uimitoare în timp ce sunt ușoare. Un bun exemplu sunt palele de turbine eoliene, care pot avea până la 85 de metri lungime și pot atinge viteze de peste 300 km/h în partea de sus.
Practic, se face distincția între două tipuri diferite de materiale plastice armate cu fibră de sticlă: fibrele lungi și materialele din fibre scurte.
- GRP cu fibre lungi este de obicei produs într-o formă în care sunt introduse covoare și curele de fibre, care la rândul lor sunt impregnate cu o rășină epoxidică sau poliesterică. Acest lucru creează componente în care, în mod ideal, fibrele trec fără întrerupere pe întreaga lungime, ceea ce asigură, desigur, o capacitate de încărcare foarte mare. O caracteristică importantă a acestui material este comportamentul său anizotrop - dacă îndepărtați o piesă de prelucrat în direcția fibrelor, acționează valorile ridicate ale rezistenței fibrelor de sticlă, iar peste fibră valorile semnificativ mai mici ale matricei plastice. Acest lucru poate fi, de asemenea, folosit ca un avantaj, prin faptul că fibrele sunt plasate exact în direcția de tragere și fibrele sunt omise în alte direcții pentru a reduce greutatea.
- Materialele plastice cu fibre scurte conțin fibre scurte cu lungimi cuprinse între câțiva milimetri și câțiva centimetri. Fibrele sunt de obicei într-un mod dezordonat în plastic, ceea ce reduce foarte mult comportamentul anizotrop - unele dintre fibre sunt întotdeauna în direcția de tragere. Materialele plastice cu fibre scurte pot fi, de asemenea, turnate prin injecție, caz în care fibrele sunt din nou direcționate mai puternic prin procesul de injecție. Termoplasticele sunt adesea folosite aici.
Fibrele în imprimarea 3D
Interesant este că ambele tipuri de materiale există și în imprimarea 3D. În timp ce materialele cu fibre scurte pot fi procesate folosind procesul FDM pe multe imprimante disponibile în comerț, Markforged Mark Two este o imprimantă care introduce materiale cu fibre lungi în piesele pe care le creează utilizând procesul FDM.
Alegerea materialelor armate cu fibre pentru imprimarea 3D este în continuă creștere. În plus față de binecunoscutul Carbon20 cu o cotă de 20% din fibrele de carbon, firma germană RepRap GmbH din Feldkirchen oferă acum și două filamente Zytel de la Dupont, care sunt amestecate cu fibre de carbon sau sticlă. Unul dintre filamentele Dupont este format din poliamidă cu 20% fibre de carbon și combină rezistența la căldură cu rezistența la substanțe chimice, solvenți, combustibili, fluide auto și hidroliză. Atinge o rezistență la flexiune de aproximativ 5 - 6 GPa și este stabilă dimensional până la 159 ° C. Al doilea material conține 30% fibre de sticlă, este ușor mai moale la 3-4 GPa, dar este dimensional stabil până la 166 ° C.
Imprimanta standard FDM este suficientă pentru materialul cu bob scurt
Avantajul materialelor cu fibre scurte este că pot fi prelucrate într-o imprimantă FDM practic complet standard. Singura parte care ar trebui înlocuită este duza. Acesta constă de obicei din alamă și acest material este puternic atacat de filamentul de fibră abrazivă - deschiderea duzei se extinde rapid. Acest lucru poate fi remediat, de exemplu, prin duze din oțel inoxidabil, care pe multe imprimante pot fi înlocuite în câțiva pași simpli.
Utilizare caz pentru imprimarea 3D a materialelor armate cu fibre
Așadar, nu este de mirare că o echipă Formula Student, precum echipa Elbflorace de la TU Dresda, folosește aceste materiale pentru a imprima suporturi, carcase, suporturi de accesorii și multe altele. Studenții au testat deja o mare varietate de tehnologii de fabricație pentru o carcasă pentru plăcile de circuite ale senzorilor, de la carcase metalice anodizate la cutii care au fost laminate din fibră de carbon până la contracție simplă în multe tuburi termocontractabile. Actualele carcase tipărite 3D, pe de altă parte, nu au fost asociate doar cu un efort mai mic în producție; potrivit lui Armin Bakkal, responsabil cu senzorii din echipă, acestea sunt și „carcasele cele mai funcționale, cele mai durabile și mai bine întreținute”.
Înainte de a utiliza imprimanta 3D, trebuia construită o matriță pentru carcasa CFRP, fibrele aplicate și apoi întărite într-o autoclavă sub vid. Acest lucru a durat cel puțin două zile lucrătoare complete, spre deosebire de imprimarea 3D, unde carcasa este finalizată în câteva ore. TU Dresda folosește în principal materialul Carbon20 pentru lucrările sale cu RepRap X400 german. La 6,2 GPa, acest lucru este foarte rezistent la îndoire, are o alungire scăzută la rupere de aproximativ 8-10% și poate fi procesat cu precizie și cu distorsiuni reduse. Piesele finite sunt, prin urmare, foarte rezistente și robuste.
Procedura de fabricare continuă a filamentului (CFF) explicată pe scurt
Americanul Greg Mark, care a prezentat o imprimantă în 2013 care combină imprimarea FDM și inserarea fibrelor continue în componentă, a adoptat o abordare diferită. Compania sa Markforged (distribuită în Germania de Mark3D GmbH în Angelburg, printre altele) numește procesul de imprimare Fabricarea continuă a filamentului (CFF), în care o duză, ca și în cazul imprimării FDM, aplică material convențional din nailon, în timp ce o a doua duză introduce un cablu de fibră în partea imprimată. În cele din urmă, primul cap de imprimare imprimă din nou nailon pe cablu, astfel încât fibrele să fie fixate în componentă. Puteți alege dintre fibră de sticlă, fibră de sticlă la temperaturi ridicate, Kevlar și fibră de carbon. Markforged oferă acum și un nailon cu fibre scurte din fibră de carbon, astfel încât fibrele lungi și scurte pot fi combinate.
Siemens Gas & Energie, de exemplu, folosește scule speciale la uzina sa din Florida pentru a prelucra carcasele turbinelor cu gaz. Până în prezent, au fost achiziționate unelte manuale standard care au fost reconstruite manual, astfel încât să se potrivească situației de prelucrare respective și suprafeței carcasei care urmează să fie prelucrată. Acest lucru a fost foarte scump și a durat cel puțin trei săptămâni, deoarece piesele pentru conversie au fost realizate în Filipine.
Specialiștii Siemens imprimă acum aceste componente pe o imprimantă Markforged X7 și le completează cu o unitate de scule manuală standard și sculele corespunzătoare. Pentru a face acest lucru, ei folosesc cea mai puternică combinație de materiale realizate din onix cu fibre scurte și fibre de carbon. Inginerul Siemens, Sam Dicpetris, spune: „Puterea fibrei de carbon fără sfârșit este cu adevărat impresionantă. Dacă aveți o piesă din plastic care se simte și arată ca o piesă din plastic, dar care are această stabilitate extraordinară, toată lumea este uimită. "
Siemens Gas & Energy economisește sume enorme de bani cu imprimarea 3D: timpul de reparație pentru turbine este redus de la săptămâni la zile, iar uneltele tipărite specifice clientului sunt cu fiecare 8.000 USD mai ieftine decât mașinile fabricate manual anterior.
Concluzie
Componentele tipărite 3D realizate din plastic armat cu fibre pot atinge sau chiar depăși valorile de rezistență ale pieselor metalice - și cele cu o greutate mai mică. În loturile mici, merită luată în considerare această tehnologie ca o alternativă la metodele convenționale de fabricație. În anumite scenarii, utilizarea imprimării 3D merită chiar și pentru cantități mai mari. Și ca metodă de producere a prototipurilor realiste pentru piese turnate prin injecție armate cu fibră de sticlă, imprimarea 3D cu aceste materiale este cu siguranță potrivită. co
Informații ample despre procese și exemple de aplicații de fabricație aditivă sunt furnizate pe tema imprimării 3D prin construcția KEM: