Szálerősítésű anyagok az adalékanyagok gyártásában
Szálerősítésű anyagok az adalékanyagok gyártásában
Kompozit anyagok 3D nyomtatásban
Ralf Steck, a CAD/CAM, az informatika és a gépgyártás szabadúszó szakújságírója, Friedrichshafen
Tartalomjegyzék
Mik azok a szálerősítésű műanyagok
Az elv valójában nagyon egyszerű: a szálak műanyagba vannak ágyazva, amelyek ezután masszívan növelik a szilárdságot a szálak irányában. A szálak általában üvegből (üvegszállal erősített műanyag, GRP), szénszálból (szénszállal erősített műanyag, CFRP) vagy egzotikusabb anyagokból, például aramidból vagy kenderből állnak. Cserébe a hőre keményedő vagy hőre lágyuló műanyag mátrix biztosítja a szálak helyben maradását. Ez olyan alkatrészeket hoz létre, amelyek könnyűek és ellenállnak az elképesztő terheléseknek. Jó példa erre a szélturbinák lapátjai, amelyek akár 85 méter hosszúak is lehetnek, és felül 300 km/h sebességet is elérhetnek.
Alapvetően két különböző típusú üvegszállal erősített műanyagot különböztetnek meg: hosszú és rövid szálas anyagokat.
- A hosszúszálas GRP általában olyan formában készül, amelybe szálas szőnyegeket és öveket helyeznek be, amelyeket viszont epoxi- vagy poliésztergyantával impregnálnak. Ez olyan alkatrészeket hoz létre, amelyekben ideális esetben a szálak megszakítás nélkül futnak végig a teljes hosszon, ami természetesen nagyon nagy teherbírást biztosít. Fontos jellemzője ennek az anyagnak az anizotrop viselkedése - ha a munkadarabot széthúzza a szálak irányában, akkor az üvegszál nagy szilárdsági értékei hatnak, a szálon pedig a műanyag mátrix lényegesen alacsonyabb értéke. Ez előnyként is felhasználható, mivel a szálakat pontosan a húzás irányába helyezik el, és a szálakat a súly csökkentése érdekében elhagyják más irányokban.
- A rövidszálas műanyagok rövid, néhány milliméter és néhány centiméter közötti szálakat tartalmaznak. A szálak általában rendezetlen módon vannak a műanyagban, ami nagymértékben csökkenti az anizotrop viselkedést - egyes szálak mindig a húzás irányában vannak. Rövidszálas műanyagok fröccsönthetők is, ebben az esetben a szálakat ismét erősebben irányítja a befecskendezési folyamat. A hőre lágyuló műanyagokat gyakran használják itt.
Szálak 3D nyomtatásban
Érdekes módon mindkét típusú anyag létezik a 3D nyomtatásban is. Míg a rövidszálas anyagok az FDM eljárással feldolgozhatók számos kereskedelemben kapható nyomtatón, a Markforged Mark Two olyan nyomtató, amely hosszú szálas anyagokat helyez be az FDM folyamat segítségével létrehozott részekbe.
A szálerősítésű anyagok választása a 3D nyomtatáshoz folyamatosan növekszik. A jól ismert Carbon20 mellett, amelynek 20% -os szénszál-aránya van, a feldkircheni székhelyű német RepRap GmbH most két Dupont-i Zytel-szálat is kínál, amelyeket szén- vagy üvegszálakkal kevernek össze. Az egyik Dupont-szál 20% szénszálas poliamidból áll, és ötvözi a hőállóságot a vegyszerekkel, oldószerekkel, üzemanyagokkal, autóipari folyadékokkal és a hidrolízissel szembeni ellenállással. Körülbelül 5 - 6 GPa hajlítószilárdságot ér el, és méretileg stabil 159 ° C-ig. A második anyag 30% üvegszálat tartalmaz, valamivel lágyabb 3-4 GPa-n, de méretileg stabil 166 ° C-ig.
A szokásos FDM nyomtató elegendő a rövid szemcsés anyagokhoz
A rövidszálas anyagok előnye, hogy gyakorlatilag teljesen szabványos FDM nyomtatóval feldolgozhatók. Az egyetlen alkatrész, amelyet ki kell cserélni, a fúvóka. Ez általában sárgarézből áll, és ezt az anyagot erősen megtámadja a koptató szálas szál - a fúvóka nyílása gyorsan kitágul. Ezt orvosolni lehet például rozsdamentes acél fúvókákkal, amelyek sok nyomtatón néhány egyszerű lépésben cserélhetők.
Felhasználási eset szálerősített anyagok 3D nyomtatásához
Tehát nem csoda, hogy egy olyan Formula Student-csapat, mint a Drezdai TU Elbflorace csapata, ezeket az anyagokat a tartók, házak, szerelvénytartók és még sok más nyomtatására használja. A diákok már sokféle gyártási technológiát teszteltek az érzékelőtáblák házának számára, az eloxált fémházaktól a szénszálból laminált dobozokig az egyszerű zsugorodásig sok zsugorcsőben. A jelenlegi 3D nyomtatású házak viszont nemcsak a gyártás kevesebb erőfeszítésével jártak, Armin Bakkal, a csapat érzékelőiért felelős személy szerint ők a "legfunkcionálisabb, legtartósabb és legjobban karbantartható házak" is.
A 3D nyomtató használata előtt formát kellett építeni a CFRP házhoz, a szálakat felhordani, majd vákuumban autoklávban megkötni. Ez legalább két teljes munkanapot vett igénybe, ellentétben a 3D nyomtatással, ahol az ügy néhány órán belül elkészül. A Drezda TU főként a Carbon20 anyagot használja a német RepRap X400-zal végzett munkájához. A 6,2 GPa-nál nagyon ellenáll a hajlításnak, kis szakadási nyúlása körülbelül 8-10%, pontos illeszkedéssel és kis deformálódással feldolgozható. A kész alkatrészek ezért nagyon ellenállóak és robusztusak.
A folyamatos szálgyártási (CFF) eljárás rövid ismertetése
Az amerikai Greg Mark, aki 2013-ban bemutatott egy nyomtatót, amely ötvözi az FDM nyomtatást és a folyamatos szálak beépítését az alkatrészbe, más megközelítést alkalmazott. Cége, a Markforged (Németországban a Mark3D GmbH forgalmazza többek között Angelburgban) a nyomtatási folyamatot folyamatos filamentgyártásnak (CFF) nevezi, amelyben egy fúvóka, csakúgy, mint az FDM nyomtatásnál, hagyományos nejlon anyagot visz fel, míg egy második fúvóka szálas zsinórt illeszt a nyomtatott részbe. Végül az első nyomtatófej ismét nejlonra nyomtatja a zsinórt úgy, hogy a szálak rögzüljenek az alkatrészben. Üvegszál, magas hőmérsékletű üvegszál, Kevlar és szénszál közül választhat. A Markforged most egy rövid, szénszálas szálú nylonból is kínál, így a hosszú és a rövid szálak kombinálhatók.
A Siemens Gas & Energie például floridai üzemében speciális eszközöket használ a gázturbinák házának megmunkálásához. Eddig szokásos kéziszerszámokat vásároltak, és ezeket kézzel építették át, hogy azok illeszkedjenek az adott megmunkálási helyzethez és a megmunkálandó ház területéhez. Ez nagyon drága volt, és legalább három hétig tartott, mert az átalakítás alkatrészei a Fülöp-szigeteken készültek.
A Siemens szakemberei most ezeket az alkatrészeket Markforged X7 nyomtatóra nyomtatják, és kiegészítik egy szokásos kéziszerszám-meghajtóval és a megfelelő szerszámokkal. Ehhez az onix és rövid szálak és szénszálak legerősebb kombinációját használják. A Siemens mérnöke, Sam Dicpetris szerint: „A végtelen szénszál ereje valóban lenyűgöző. Ha van olyan műanyag alkatrésze, amely úgy érzi és úgy néz ki, mint egy műanyag alkatrész, de ennek a hatalmas stabilitása van, mindenki csodálkozik. "
A Siemens Gas & Energy hatalmas összeget takarít meg a 3D nyomtatással: a turbinák javítási ideje hetekről napokra csökken, és az ügyfélspecifikus, nyomtatott eszközök mindegyike 8000 dollárral olcsóbb, mint a korábban kézzel készített gépek.
Következtetés
A szálerősítésű műanyagból készült 3D-nyomtatott alkatrészek elérhetik vagy akár meghaladhatják a fém alkatrészek szilárdsági értékeit - és a kisebb súlyúakat is. Kis sorozatban érdemes ezt a technológiát a hagyományos gyártási módszerek alternatívájának tekinteni. Bizonyos esetekben a 3D nyomtatás használata nagyobb mennyiség esetén is megéri. És mint az üvegszálerősítésű fröccsöntött alkatrészek valósághű prototípusainak előállítására szolgáló módszer, a 3D nyomtatás ezekkel az anyagokkal mindenképpen megfelelő. társ
A 3D nyomtatás témakörében részletes információkat nyújt az adalékanyagok gyártásának folyamatairól és alkalmazási példáiról a KEM konstrukció: