Армированная углеродным волокном пластмасса — универсальный и эффективный материал, который широко используется в разных областях: от аэрокосмической промышленности до здравоохранения. Он превосходит традиционные материалы, такие как сталь, алюминий, дерево или пластмассу, и позволяет создавать функциональные легковесные изделия.
В этом руководстве вы узнаете о создании моделей из углеродного волокна и как 3D-печать может помочь сократить расходы и время на производство.
Производство моделей из углеродного волокна с помощью напечатанных на 3D-принтере пресс-форм
Скачайте наш технический доклад, чтобы ознакомиться с рекомендациями по созданию композитных пресс-форм и узнать, как можно изготовить модели из углеродного волокна с помощью препрега и ручного ламинирования.
Введение в композитные материалы
Композитный материал — это комбинация двух или более компонентов, сочетание которых дает новый материал с характеристиками, отличными от характеристик отдельных компонентов. Композитные материалы имеют улучшенные свойства, такие как дополнительная прочность, эффективность и долговечность. Они изготавливаются из армирующего материала — волокна или частицы, удерживаемых матрицей (полимером, металлом или керамикой).
Армированные волокном полимеры пользуются широкой популярностью и постоянно находят новые области применения в промышленности. Углеродное волокно используется в производстве самолетов, гоночных автомобилей и велосипедов, так как оно более чем в три раза прочнее и жестче алюминия и на 40 % легче. Оно образовано армированным углеродным волокном, связанным эпоксидной смолой.
Однонаправленные волокна применяются, когда необходимо достичь прочности в заданном направлении, а двунаправленные обеспечивают прочность во всех направлениях. Именно благодаря им композитные модели имеют характерную плетеную поверхность. Обычно для изготовления моделей используются оба вида волокон. Существует несколько типов волокон:
| Стеклопластик | Углеродное волокно | Арамидное волокно (кевлар) |
|---|---|---|
| Самое популярное волокно Легкий вес, умеренный предел прочности на разрыв и сжатие Низкая стоимость и удобство в работе | Высокое соотношение прочности и жесткости к весу (предел прочности на разрыв, сжатие и изгиб) Высокая стоимость | Более высокая ударопрочность и износостойкость, чем у углеродного волокна Низкий предел прочности на сжатие Трудно резать и обрабатывать |
Для скрепления волокон и создания жесткого композита используется полимер. Популярные полимеры:
| Полимер | Преимущества | Недостатки | Полимеризация |
|---|---|---|---|
| Эпоксидная смола | Высокий предел прочности на разрыв Легкий вес Длительный срок хранения | Высокая цена Чувствительность к соотношению компонентов в смеси и колебаниям температуры | Нужен специальный отвердитель (двухкомпонентная система) Некоторые эпоксидные смолы требуют нагревания |
| Полиэфир | Простота в использовании (наиболее популярен) Устойчивость к УФ-излучению Низкая стоимость | Низкая прочность и устойчивость к коррозии | Полимеризация с катализатором (ПМЭК) |
| Виниловый эфир | Сочетает характеристики эпоксидной смолы и стоимость полиэфира Высокая устойчивость к коррозии, термостойкость и удлинение | Меньшая прочность, чем у эпоксидной смолы, и более высокая стоимость, чем у полиэфира Ограниченный срок хранения | Полимеризация с катализатором (ПМЭК) |
Три способа производства моделей из углеродного волокна
Производство армированных волокном полимеров, таких как модели из углеродного волокна — это сложный и трудоемкий процесс, используемый как в единичном, так и серийном производстве. Время цикла варьируется от одного до 150 часов в зависимости от размера и сложности модели. При изготовлении армированных волокном полимеров длинные прямые волокна скручиваются в матрицу, образуя отдельные нити, которые наслаиваются слой за слоем на конечную модель.
Свойства композита определяются материалами и процессом ламинирования: способ скрепления оказывает значительное влияние на характеристики модели. Термореактивный полимер и армирующий материал помещаются в инструмент или пресс-форму, а затем в процессе полимеризации приобретают форму и прочность. Способы ламинирования можно разделить на три основных типа:
1. Мокрое наслоение
При мокром наслоении волокно разрезают и укладывают в пресс-форму, после чего полимер распределяют с помощью кисти, валика или распылителя. Хотя этот способ требует навыков, он отличается низкими расходами и требованиями. Если вы новичок в производстве моделей из углеродного волокна и не имеете специальных инструментов, мы рекомендуем начать с ручного ламинирования способом мокрого наслоения.
Посмотрите видео, чтобы увидеть процесс мокрого наслоения для ламинирования моделей из углеродного волокна.
2. Ламинирование с помощью препрега
При ламинировании с помощью препрега волокно пропитывается полимером. Предварительно пропитанные листы хранят в холоде, чтобы замедлить отверждение. Затем нити полимеризуются в пресс-форме под действием тепла и давления в автоклаве. Этот способ более точный и контролируемый, но в то же время и более дорогой. Обычно его используют, чтобы добиться максимального качества моделей.
3. Прессование полимерных материалов
В процессе прессования полимерных материалов сухое волокно помещается в полость открытой пресс-формы, после чего форму закрывают и подают полимер под высоким давлением. Обычно этот процесс автоматизирован и используется для производства больших объемов моделей.
Быстрое мелкосерийное термоформование с помощью напечатанных на 3D-принтере пресс-форм
Из нашего технического доклада вы узнаете, как с помощью 3D-печати можно быстро создавать сложные формы, а также получите советы и рекомендации, которые вам будут полезны при подготовке ваших форм.
Производство пресс-форм для создания моделей из углеродного волокна с помощью 3D-печати
Поскольку качество пресс-формы напрямую влияет на качество конечной модели, изготовление инструментов является важным аспектом производства армированных волокном полимеров. Большинство пресс-форм изготавливаются из воска, пенопласта, дерева, пластмассы или металла с помощью станков с ЧПУ или вручную. При этом ручные методы очень трудоемки, а обработка ЧПУ требует навыков и времени, особенно для создания сложных геометрических пресс-форм. Некоторые производители обращаются к сторонним компаниям, услуги которых обычно сопряжены с высокими затратами и увеличением сроков производства. Оба варианта требуют квалифицированного персонала и не могут обеспечить гибкость при проектировании и итерациях пресс-форм.
Аддитивное производство предлагает решение для быстрого и экономичного изготовления пресс-форм. Использование полимерной оснастки в производственных процессах постоянно растет. Замена металлических инструментов пластмассовыми моделями, напечатанными своими силами — мощное и экономичное средство сокращения времени производства и увеличения гибкости проектирования. Инженеры уже используют напечатанные модели из полимеров для изготовления зажимных и крепежных приспособлений для намотки нитей и автоматического размещения волокон. Напечатанные пресс-формы и штампы также используются в мелкосерийном производстве для литья под давлением, термоформования или формования листового металла.
3D-печать своими силами не требует большого количества оборудования и упрощает процесс производства. Профессиональный настольный принтер Form 3 доступен по цене, прост в установке и может помочь быстро масштабировать производство. Для производства крупных инструментов и пресс-форм Formlabs предлагает крупноформатный 3D-принтер Form 3L.
Стереолитографическая 3D-печать позволяет создавать детали с очень гладкой поверхностью, что крайне важно для пресс-форм, а также делает возможным изготовление сложных геометрических форм с высокой точностью. В каталоге полимеров Formlabs вы найдете инженерные полимеры, которые обладают подходящими механическими и термическими свойствами для изготовления пресс-форм.
Напечатанные пресс-формы для изготовления моделей из углеродного волокна позволяют снизить затраты и сократить сроки.
С 3D-печатью инженерам больше не придется тратить время на вырезание пресс-форм вручную, обработку на станке с ЧПУ, работу с АСУП, настройку станка, закрепление, оснастку и удаление стружки. Сокращение трудозатрат и времени подготовки заказа позволяет быстро выполнять итерации и модифицировать модели. С помощью 3D-печати можно создавать сложные пресс-формы с мелкими деталями, которые было бы значительно труднее изготавливать традиционными способами.
Команда Берлинского технического университета Formula Student (FaSTTUBe) изготовила дюжину моделей для гоночных автомобилей из углеродного волокна. Для ручного ламинирования инженеры команды использовали пресс-форму, напечатанную с помощью полимера Formlabs Tough 1500 Resin. Этот материал имеет модуль упругости при растяжении 1,5 ГПа и удлинение при разрыве 51 %. Он достаточно прочный, чтобы удерживать модель во время укладки, а его гибкость позволяет отделить модель от формы после полимеризации.
Испытательный стенд команды FaSTTUBe для изготовления моделей из углеродного волокна.
Хотя этот способ не связан с интенсивной полимеризацией, другие процессы ламинирования часто требуют высоких давлений и температур. Компания DeltaWing Manufacturing использует High Temp Resin, чтобы с помощью препрега создавать компоненты для систем кондиционирования воздуха. High Temp Resin имеет температуру изгиба под нагрузкой 238 °C при 0,45 МПа и способен выдерживать жар и давление автоклава. DeltaWing Manufacturing напрямую печатает пресс-формы для производства серии из примерно 10 индивидуальных моделей.
Воздуховод крыла из углеродного волокна рядом с пресс-формой, состоящей из двух частей, напечатанной DeltaWing Manufacturing из High Temp Resin.
Полимерные пресс-формы, напечатанные напрямую на 3D-принтере — эффективный инструмент для оптимизации мелкосерийного производства. Однако их срок службы меньше, чем у традиционных пресс-форм, что делает их непригодными для крупносерийного производства.
В целях увеличения производства DeltaWing Manufacturing печатает модели пресс-форм из High Temp Resin, а затем отливает их из полимера. Печать модели — оптимальная альтернатива ламинированию, требующему интенсивной полимеризации, которая не подходят для напечатанных пресс-форм. Производители могут печатать индивидуальные модели по запросу, не тратя времени на их изготовление вручную.
Руководство по быстрому изготовлению оснастки
В этом техническом докладе вы узнаете, как сочетать быстрое изготовление оснастки с традиционными производственными процессами, такими как литье под давлением, термоформование и литье, чтобы повысить гибкость, адаптивность, масштабируемость и рентабельность производства.
Начните производство моделей из углеродного волокна
Производство армированного углеродным волокном полимера — увлекательный, но в то же время сложный и трудоемкий процесс. Печать пресс-форм и моделей позволяет компаниям снизить сложность производства, увеличить гибкость и возможности проектирования, а также сократить затраты и время изготовления.
В нашем техническом докладе описаны три способа применения 3D-печати для композитного производства с помощью быстрого изготовления пресс-форм и моделей. Данные получены на основе исследований Берлинского технического университета и DeltaWing Manufacturing.
