Materiály vystužené vláknami v aditívnej výrobe
Materiály vystužené vláknami v aditívnej výrobe
Kompozitné materiály v 3D tlači
Ralf Steck, nezávislý odborný novinár pre oblasti CAD/CAM, IT a strojárstvo, Friedrichshafen
Obsah
Čo sú to plasty vystužené vláknami
Princíp je v skutočnosti veľmi jednoduchý: vlákna sú zaliate do plastu, ktorý potom masívne zvyšuje pevnosť v smere vlákien. Vlákna zvyčajne pozostávajú zo skla (plast vystužený sklenenými vláknami, GRP), uhlíkových vlákien (plast vystužený uhlíkovými vláknami, CFRP) alebo exotickejších materiálov, ako je aramid alebo konope. Na oplátku plastová matrica vyrobená z termosetu alebo termoplastu zaisťuje, že vlákna zostanú na svojom mieste. Takto sa vytvárajú komponenty, ktoré pri ľahkom zaťažení vydrží ohromujúce zaťaženie. Dobrým príkladom sú lopatky veterných turbín, ktoré môžu byť dlhé až 85 metrov a na vrchole dosahovať rýchlosť viac ako 300 km/h.
V zásade sa rozlišujú dva rôzne typy plastov vystužených sklenenými vláknami: materiály s dlhými vláknami a materiály s krátkymi vláknami.
- GRP s dlhými vláknami sa zvyčajne vyrába vo forme, do ktorej sa vkladajú vláknité rohože a pásy, ktoré sú naopak impregnované epoxidovou alebo polyesterovou živicou. Tak vzniknú komponenty, v ktorých ideálne prechádzajú vlákna nepretržite po celej dĺžke, čo samozrejme zaisťuje veľmi vysokú nosnosť. Dôležitou vlastnosťou tohto materiálu je jeho anizotropické chovanie - ak odťahujete obrobok od seba v smere vlákien, pôsobia vysoké hodnoty pevnosti sklenených vlákien a cez vlákno výrazne nižšie hodnoty plastovej matrice. To môže byť tiež použité ako výhoda v tom, že vlákna sú umiestnené presne v smere ťahu a vlákna sú vynechané v iných smeroch, aby sa znížila hmotnosť.
- Plasty s krátkymi vláknami obsahujú krátke vlákna v dĺžkach od niekoľkých milimetrov do niekoľkých centimetrov. Vlákna sú v plaste obvykle neusporiadane, čo výrazne znižuje anizotropné správanie - niektoré z vlákien sú vždy v smere ťahu. Plasty s krátkymi vláknami môžu byť tiež lisované vstrekovaním, v takom prípade sú vlákna opäť vstrekované silnejšie. Často sa tu používajú termoplasty.
Vlákna v 3D tlači
Je zaujímavé, že oba typy materiálov existujú aj v 3D tlači. Zatiaľ čo materiály s krátkym vláknom je možné spracovať pomocou procesu FDM na mnohých komerčne dostupných tlačiarňach, Markforged Mark Two je tlačiareň, ktorá vkladá materiály s dlhými vláknami do častí, ktoré vytvára pomocou procesu FDM.
Výber materiálov vystužených vláknami pre 3D tlač sa neustále zvyšuje. Okrem známeho modelu Carbon20 s 20-percentným podielom uhlíkových vlákien ponúka nemecká spoločnosť RepRap GmbH so sídlom vo Feldkirchene aj dve vlákna Zytel od spoločnosti Dupont, ktoré sú zmiešané s uhlíkovými alebo sklenenými vláknami. Jedno z vlákien Dupont pozostáva z polyamidu s 20% uhlíkových vlákien a kombinuje tepelnú odolnosť s odolnosťou voči chemikáliám, rozpúšťadlám, palivám, automobilovým tekutinám a hydrolýze. Dosahuje pevnosť v ohybe okolo 5 - 6 GPa a je tvarovo stabilný až do 159 ° C. Druhý materiál obsahuje 30% sklenených vlákien, je o niečo mäkší pri 3 - 4 GPa, ale je tvarovo stály až do 166 ° C.
Štandardná tlačiareň FDM postačuje na materiál s krátkym zrnom
Výhodou materiálov s krátkym vláknom je, že sa dajú spracovať na prakticky úplne štandardnej FDM tlačiarni. Jedinou časťou, ktorá by sa mala vymeniť, je tryska. Ten zvyčajne pozostáva z mosadze a tento materiál je silne napadnutý vláknom abrazívneho vlákna - otvor trysky sa rýchlo rozširuje. To možno napraviť napríklad tryskami z nehrdzavejúcej ocele, ktoré je možné na mnohých tlačiarňach vymeniť v niekoľkých jednoduchých krokoch.
Prípad použitia na 3D tlač vláknami vystužených materiálov
Takže nie je divu, že tím Formula Student, ako je tím Elbflorace na TU Dresden, používa tieto materiály na tlač držiakov, puzdier, držiakov armatúr a oveľa viac. Študenti už testovali širokú škálu výrobných technológií pre puzdro pre dosky senzorov, od eloxovaných kovových puzdier po škatule, ktoré boli laminované z uhlíkových vlákien, až po jednoduché zmršťovanie v mnohých zmršťovacích bužírkach. Súčasné kryty vytlačené 3D tlačou naopak neboli spojené iba s menšou námahou počas výroby; podľa Armina Bakkala, zodpovedného za senzory v tíme, sú to aj „najfunkčnejšie kryty s najvyššou odolnosťou a najlepšou údržbou“.
Pred použitím 3D tlačiarne bolo treba vyrobiť formu pre CFRP kryt, vlákna naniesť a potom vytvrdiť v autokláve vo vákuu. Trvalo to minimálne dva celé pracovné dni, na rozdiel od 3D tlače, kde je prípad hotový za pár hodín. TU Dresden používa pre svoju prácu s nemeckým RepRap X400 hlavne materiál Carbon20. Pri 6,2 GPa je veľmi odolný voči ohybu, má malé predĺženie pri pretrhnutí okolo 8 - 10% a dá sa spracovať precízne a s malým zvlnením. Hotové diely sú preto veľmi odolné a robustné.
Stručne je vysvetlený postup kontinuálnej výroby vlákien (CFF)
Američan Greg Mark, ktorý v roku 2013 predstavil tlačiareň, ktorá kombinuje FDM tlač a vkladanie nekonečných vlákien do súčasti, zvolil iný prístup. Jeho spoločnosť Markforged (predávaná v Nemecku spoločnosťou Mark3D GmbH v Angelburgu, medzi inými) nazýva proces tlače Continuous Filament Fabrication (CFF), pri ktorom dýza, rovnako ako pri FDM tlači, nanáša konvenčný nylonový materiál, zatiaľ čo druhá dýza zasúva vláknitý kord do tlačenej časti. Nakoniec prvá tlačová hlava opäť vytlačí nylon na šnúru tak, aby boli vlákna v súčasti zafixované. Môžete si vybrať zo sklenených vlákien, vysokoteplotných sklenených vlákien, kevlaru a uhlíkových vlákien. Spoločnosť Markforged teraz ponúka aj nylon s krátkymi vláknami z uhlíkových vlákien, takže je možné kombinovať dlhé a krátke vlákna.
Napríklad spoločnosť Siemens Gas & Energie používa vo svojom závode na Floride špeciálne nástroje na obrábanie krytov plynových turbín. Doteraz bolo zakúpené štandardné ručné náradie, ktoré bolo ručne prestavané tak, aby zodpovedalo príslušnej situácii pri spracovaní a oblasti spracovávaného krytu. To bolo veľmi drahé a trvalo najmenej tri týždne, pretože diely na prestavbu boli vyrobené na Filipínach.
Špecialisti spoločnosti Siemens teraz tlačia tieto komponenty na tlačiarni Markforged X7 a dopĺňajú ich štandardným pohonom ručných nástrojov a príslušnými nástrojmi. K tomu používajú najsilnejšiu kombináciu materiálov vyrobených z ónyxu s krátkymi vláknami a uhlíkovými vláknami. Inžinier spoločnosti Siemens Sam Dicpetris hovorí: „Sila nekonečných uhlíkových vlákien je skutočne pôsobivá. Ak máte plastovú časť, ktorá sa cíti a vyzerá ako plastová časť, ale má túto ohromnú stabilitu, všetci sú ohromení. “
Spoločnosť Siemens Gas & Energy šetrí obrovské množstvo peňazí vďaka 3D tlači: doba opravy turbín sa skracuje z týždňov na dni a tlačené nástroje špecifické pre zákazníka sú o 8 000 dolárov lacnejšie ako predtým vyrobené stroje.
Záver
3D tlačené komponenty vyrobené z plastov vystužených vláknami môžu dosiahnuť alebo dokonca prekročiť hodnoty pevnosti kovových častí - a to pri nižšej hmotnosti. V malých sériách stojí za to zvážiť túto technológiu ako alternatívu k bežným výrobným metódam. V určitých scenároch je použitie 3D tlače pre väčšie množstvo dokonca užitočné. A ako metóda výroby realistických prototypov pre vstrekované diely vystužené sklenenými vláknami je určite vhodná 3D tlač s týmito materiálmi. spol
Rozsiahle informácie o procesoch a príkladoch aplikácií aditívnej výroby poskytuje na tému 3D tlač konštrukciou KEM: