Пошаговое руководство по производству высокопроизводительных компонентов из углеродного волокна

Композитные материалы, такие как пластики, армированные углеродным волокном, являются универсальными и эффективными материалами, стимулирующими инновации на различных рынках, от аэрокосмической отрасли до здравоохранения. Они превосходят традиционные материалы, такие как сталь, алюминий, дерево или пластик, и позволяют изготавливать высокопроизводительные легкие изделия.

В этом руководстве вы изучите основы производства деталей из углеродного волокна, включая различные методы укладки, ламинирования и формования углеродного волокна, а также то, как вы можете использовать 3D-печать для изготовления форм из углеродного волокна, чтобы снизить затраты и сэкономить время. Также существуют композиты, напечатанные напрямую на 3D-принтере, такие как Formlabs Nylon 11 CF Powder, который представляет собой материал, наполненный углеродным волокном, который идеально подходит для применений, требующих как превосходной жесткости, так и прочности. При печати на принтере Formlabs Fuse 1+ 30 Вт порошок Nylon 11 CF позволяет получать легкие, жесткие детали, которые остаются структурно и термически стабильными и могут выдерживать многократные удары.

Образец порошка Nylon 11 CF

Посмотрите и почувствуйте качество нейлона, наполненного углеродным волокном, своими глазами. Мы бесплатно доставим образец детали в ваш офис.

Запросить бесплатный образец

Композиционный материал представляет собой комбинацию двух или более компонентов с характеристиками, отличными от характеристик этих отдельных компонентов. Инженерные свойства обычно улучшаются, например, увеличивается прочность, эффективность или долговечность. Композиты состоят из армирования — волокна или частиц, скрепленного матрицей (полимер, металл или керамика). 

Армированные волокном полимеры (FRP) доминируют на рынке и стимулируют рост новых применений в различных отраслях. Среди них углеродное волокно является широко используемым композитом, особенно для самолетов, гоночных автомобилей и велосипедов, поскольку оно более чем в три раза прочнее и жестче алюминия, но на 40% легче. Он состоит из армированного углеродного волокна, связанного эпоксидной смолой.

Волокна могут быть направленно однопереплетенными и стратегически выровнены для создания прочности относительно вектора. Переплетенные волокна можно использовать для создания прочности в нескольких направлениях, а также они отвечают за фирменный стеганый вид композитных деталей. Детали обычно изготавливаются с использованием комбинации того и другого. Доступно несколько типов волокон, в том числе:

Смола используется для скрепления этих волокон и создания жесткого композита. Хотя можно использовать сотни типов смол, вот самые популярные из них: 

Производство армированных волокном полимеров, таких как детали из углеродного волокна, представляет собой квалифицированный и трудоемкий процесс, используемый как в единичном, так и в серийном производстве. Время цикла составляет от одного часа до 150 часов в зависимости от размера и сложности детали. Обычно при производстве стеклопластика непрерывные прямые волокна соединяются в матрице, образуя отдельные слои, которые слой за слоем ламинируются на готовую деталь. 

Свойства композита определяются материалами так же, как и процессом ламинирования:способ включения волокон сильно влияет на характеристики детали. Термореактивные смолы формуются вместе с арматурой в инструменте или форме и отверждаются с образованием прочного продукта. Существуют различные методы ламинирования, которые можно разделить на три основных типа:

При мокрой укладке волокно разрезается и укладывается в форму, затем наносится смола с помощью кисти, валика или распылителя. Этот метод требует наибольших навыков для создания высококачественных деталей, но это также наименее затратный рабочий процесс с минимальными требованиями для начала изготовления деталей из углеродного волокна своими руками. Если вы новичок в производстве деталей из углеродного волокна и еще не имеете необходимого оборудования, мы рекомендуем начать с ручного ламинирования с мокрой укладкой.

Посмотрите видео, чтобы узнать, как работает процесс мокрой укладки углеродного волокна.

При ламинировании препрега смола проникает в волокно впереди. Предварительно пропитанные листы хранятся в холоде, чтобы предотвратить отверждение. Затем слои отверждаются в форме под воздействием тепла и давления в автоклаве. Это более точный и повторяемый процесс, поскольку количество смолы контролируется, но это также и самый дорогой метод, который обычно используется в высокопроизводительных приложениях.

При формовании RTM сухое волокно помещается в форму, состоящую из двух частей. Форма зажимается перед тем, как смола попадает в полость под высоким давлением. Обычно он автоматизирован и используется для производства больших объемов.

Поскольку качество формы напрямую влияет на качество конечной детали, изготовление инструментов является важнейшим аспектом производства стеклопластика. Большинство форм изготавливаются из воска, пенопласта, дерева, пластика или металла с помощью механической обработки на станке с ЧПУ или ручной работы. Хотя ручные методы очень трудоемки, обработка на станках с ЧПУ по-прежнему представляет собой сложный и трудоемкий рабочий процесс, особенно для изделий сложной геометрии, а аутсорсинг обычно обходится дорого и требует длительного времени выполнения работ. Оба варианта требуют квалифицированных рабочих и не обеспечивают особой гибкости при проектировании и корректировке пресс-формы.

Аддитивное производство предлагает решение для быстрого изготовления форм и моделей с низкими затратами для изготовления деталей из углеродного волокна. Использование полимерной оснастки в производственных процессах постоянно растет. Замена металлических инструментов пластиковыми деталями, напечатанными собственными силами, является мощным и экономичным средством сокращения времени производства и одновременного расширения гибкости конструкции. Инженеры уже работают с деталями, напечатанными на 3D-принтере из полимерной смолы, для изготовления приспособлений и приспособлений для поддержки таких методов, как намотка накаливания или автоматическое размещение волокон. Аналогичным образом, печатные формы и штампы для мелкосерийной печати используются при литье под давлением, термоформовании или штамповке листового металла для производства партий небольших объемов. 

Настольная 3D-печать собственными силами требует ограниченного оборудования и упрощает рабочий процесс. Профессиональные настольные полимерные принтеры, такие как Form 4 , доступны по цене, просты в установке и могут быть быстро масштабированы в зависимости от спроса. Производство крупных инструментов и форм также возможно с помощью 3D-принтеров большого формата, таких как Form 4L.

Технология 3D-печати стереолитографии (SLA) позволяет создавать детали с очень гладкой поверхностью, что очень важно для форм для укладки углеродного волокна. Это позволяет создавать сложные геометрические фигуры с высокой точностью. Кроме того, в библиотеке смол Formlabs есть конструкционные материалы с механическими и термическими свойствами, которые хорошо сочетаются с изготовлением форм и моделей.

3D-печатные формы для производства деталей из углеродного волокна позволяют снизить затраты и сократить сроки выполнения заказов.

Для мелкосерийного производства инженеры могут напрямую распечатать форму с низкими затратами и в течение нескольких часов, без необходимости вырезать ее вручную или использовать оборудование с ЧПУ; Программное обеспечение CAM, настройка станка, крепление заготовки, оснастка и эвакуация стружки. Трудозатраты и время изготовления пресс-форм значительно сокращаются, что позволяет ускорить разработку проекта и настройку деталей. Они могут создавать формы сложной формы с мелкими деталями, которые было бы трудно изготовить традиционными методами. 

Рекомендации по архитектуре и проектированию пресс-форм

При проектировании формы подумайте, что будет успешно печататься, а также что будет успешно формоваться. Для создания разных типов геометрии используются разные архитектуры пресс-форм:

• Однокомпонентная форма в вакуумной упаковке: Используется для деталей, которым требуется одна сторона класса А, то есть глянцевая поверхность. Он может быть положительным или отрицательным, в зависимости от того, какая сторона должна быть класса А. Одна сторона — это поверхность формы, другая — поверхность вакуумного мешка.
• Двухкомпонентная форма при компрессионном формовании: Используется для деталей, где обе стороны детали должны быть класса А. Обе стороны представляют собой поверхности пресс-формы.
• Плохая форма при литье под давлением: Используется для сложной геометрии, когда невозможно использовать вакуумный мешок или пресс-форму из-за невозможности извлечения детали из формы. Одна сторона — это поверхность формы, а другая — поверхность камеры.
• Шаблон формы для создания негативной формы: Используется, когда для увеличения производительности требуется несколько форм. Из одного шаблона можно сделать несколько форм.

Добавить угол уклона: Положительный угол уклона в два-три градуса облегчит этап извлечения из формы и увеличит срок службы формы, особенно для жестких форм. Однако использование гибкого материала для 3D-печати, такого как смола Tough 1500, позволяет создавать детали без черновика и включать в себя сложные геометрические формы, которые невозможно извлечь из жесткой формы. Установите минимальный радиус, соответствующий толщине вашего материала:это помогает волокнам выравниваться по углам, избегая при этом попадания воздуха, и позволяет создавать детали повторяемого качества. Избегайте крутых и близких углов, так как с плавной геометрией легче работать, чем с квадратной и резкой.

Установите минимальный радиус, соответствующий толщине вашего материала:  Это помогает волокнам выравниваться по углам, избегая при этом попадания воздуха, и позволяет создавать детали повторяемого качества. Избегайте крутых и близких углов, так как с плавной геометрией легче работать, чем с квадратной и резкой.

Добавьте установочные штифты и отступы для форм, требующих точного выравнивания. Одним из больших преимуществ 3D-печати является то, что она позволяет упростить геометрию выравнивания и создавать конструкции, чувствительные к позиционированию.

Включить выход за поверхность: лишний материал с расширенной поверхности будет обрезан, чтобы провести точную линию обрезки. 3D-печать позволяет печатать без необходимости изготовления обшивки.

Добавить линии обрезки: 3D-печать позволяет использовать точные функции ухода, такие как направляющие для сверления, разметочные линии для ручной обрезки или направляющие фрезерного станка.

Другие рекомендации:

• Печатайте с минимально возможной высотой слоя, чтобы оптимизировать разрешение и этап извлечения из формы.
• Избегайте опор на поверхностях молдинга, чтобы улучшить качество поверхности.
• Используйте разделительный агент:это необходимо для запуска процесса извлечения из формы.
• Чтобы избежать попадания воздуха:после перемешивания и перемешивания подождите две минуты, чтобы воздух вышел из смолы. Повторите процедуру после нанесения первого слоя смолы. Если остались небольшие пузырьки воздуха, их можно отполировать и загерметизировать при постобработке.

Formula Student — это ежегодный конкурс инженерного дизайна, в котором студенческие команды со всего мира строят и участвуют в гонках на автомобилях формулы. Студенческая команда Формулы TU Berlin (FaSTTUBE) - одна из крупнейших групп; Начиная с 2005 года, ежегодно от 80 до 90 студентов разрабатывают новые гоночные автомобили. 

Команда Formula Student в Берлинском техническом университете (FasSTTUBE) строит три автомобиля для ежегодных соревнований Formula Student.

Имея доступ практически ко всему спектру производственных технологий, команда FasSTTUBE использует 3D-печать для трех целей:

1. Прототипы: они печатают прототипы различных деталей, таких как крепления стабилизатора поперечной устойчивости или держатели высоковольтной батареи.
2. Формы из углеродного волокна, напечатанные на 3D-принтере: команда напечатала дюжину форм для изготовления деталей из углеродного волокна, которые иначе невозможно было бы изготовить. 
3. Запчасти для конечного использования: около 30 деталей финальных автомобилей напечатаны непосредственно на 3D-принтере: от держателей кнопок, рычагов переключения передач на рулевом колесе до шлангов и разъемов датчиков систем охлаждения.

В этом примере мы рассмотрим детали применения формования, которое они использовали для изготовления корпуса рулевого колеса и ручек из углеродного волокна.

Снижение веса имеет важное значение при создании гоночных автомобилей. Чтобы облегчить детали, они могли бы напечатать полые ручки рулевого колеса, но они были бы недостаточно прочными, чтобы выдержать хватку водителя. Углеродное волокно — отличный материал для снижения веса при сохранении или увеличении прочности. Чтобы иметь возможность изготовить деталь из углеродного волокна в этом году, Феликс Хилкен, руководитель отдела аэродинамики и производства карбона, разработал рабочий процесс с использованием 3D-печатных форм для мокрого ламинирования.

Необходимое оборудование: 

• 3D-принтер Formlabs SLA со смолой Tough 1500
• Углеродное волокно:три слоя по 200 г, 3К, 0,3 мм, саржевое переплетение.
• Смазка для пресс-форм:воск и поливиниловый спирт.
• Высокопрочная эпоксидная смола.
• Кисть и ножницы
• Вакуумный мешок, вакуумный насос и дыхательная ткань.
• Наждачная бумага

Рукоятка была изготовлена из двух половин, чтобы можно было разобрать деталь. Для каждой половины рукоятки Феликс разработал форму, состоящую из двух частей, включая элементы, которые было бы сложно изготовить без 3D-печати, в частности:

• Тонкие особенности, такие как малые внутренние радиусы, широкие поверхности или поверхности с переменным радиусом.
• Круглые узкие края, которые невозможно вынуть из алюминиевой формы.
• Отступы для места сверления, поскольку деталь чувствительна к расположению.

Команда напечатала формы на принтере Form Series с использованием смолы Tough 1500 Resin с высотой слоя 50 микрон. Отпечатки промывали два раза по 10 минут в IPA и подвергали пост-отверждению в течение 60 минут при 70°C. Была выбрана смола Tough 1500, поскольку она уравновешивает удлинение и модуль упругости:детали, напечатанные из этого материала, могут значительно сгибаться и быстро восстанавливать свою первоначальную форму. Это желаемое механическое свойство, позволяющее избежать поломки формы при извлечении из формы.

Нанесите разделительный состав, чтобы облегчить процесс демонтажа. Это очень важный первый шаг:если некоторые поверхности не покрыты, деталь не отделится от формы.

1. Покрыть воском (необязательно, но рекомендуется).
2. Покрытие поливиниловым спиртом (ПВА)

Смешайте смолу с отвердителем. Необходимо точно соблюдать пропорции смешивания. Если оно отклоняется хотя бы на несколько процентов от заданного соотношения, деталь будет либо слишком мягкой, либо отвержденной лишь частично. Перед использованием внимательно следуйте инструкциям производителя смолы и прочтите паспорт безопасности. При использовании смолы Felix процесс полимеризации начинается через два часа после смешивания смолы, что оставляет два часа на операцию укладки.

Нанесите смолу кистью на положительную сторону формы.

Положите слой углеродного волокна на положительную сторону формы. Обязательно соблюсти все контуры. Команда использовала волокно 3K, чтобы сбалансировать толщину переплетения и цену. Он специально создан для повторения сложных контуров и не содержит поддерживающих прядей.

Нанесите смолу на карбоновый слой и повторите процесс укладки. Смола связывает слои вместе, образуя матричный компонент детали, и предотвращает перераспределение волокон. Феликс использовал три слоя углеродного волокна.

Нанесите последний слой смолы на отрицательную часть формы и сожмите обе половины формы вместе, чтобы избежать образования пузырьков воздуха и их проникновения через волокна.

Отрежьте лишний материал ножницами. 

Полимеризация в течение 48 часов в вакуумном пакете. Во время процесса полимеризации вакуумный мешок вытягивает воздух и прижимает слои к форме при температуре окружающей среды, чтобы избавиться от излишков смолы. Это обеспечивает желаемое объемное соотношение смолы и волокна для обеспечения необходимой жесткости детали.

Обработка:отшлифовать все края. Чтобы очистить форму после процесса, Феликс окунул ее в воду примерно на 30 минут, чтобы растворить ПВА, а затем использовал мелкую наждачную бумагу с зернистостью 1500, чтобы удалить остатки смолы. 

Используя углеродное волокно, команда уменьшила вес корпуса рулевого колеса со 120 г до 21 г и смогла довести конструкцию до геометрии, которую было бы чрезвычайно сложно изготовить традиционным способом. «Самое замечательное в 3D-печати то, что сложную форму изготовить так же легко, как и простую, для этого требуется тот же объем работы и оборудования», — говорит Феликс.

Без 3D-печати команде пришлось бы передать на аутсорсинг фрезеровку алюминиевой формы на станке с ЧПУ, что дорого, занимает много времени и требует специальных инструментов. "Я бы обработал пресс-форму на станке с ЧПУ, мне нужно было бы приобрести специальные инструменты и ждать, пока на станке появится паз. Но я не мог даже сделать эту геометрию. В частности, некоторые небольшие углы. Мне нужно было бы использовать конструкцию, в которой нет никаких винтов, чтобы деталь не была чувствительна к позиционированию."

По его оценкам, из одной формы, напечатанной смолой Formlabs Tough 1500, можно изготовить около десяти деталей. Поскольку это ручной процесс, он зависит от того, насколько дотошен оператор:форма может сломаться в процессе разделения. Однако для увеличения производства можно использовать несколько форм, напечатанных на 3D-принтере. Еще одним решением, позволяющим продлить срок службы формы, было бы поддержать ее с помощью стандартной металлической формы. Вставка, напечатанная на 3D-принтере, сохраняет геометрию, а резервная металлическая форма помогает сохранять форму. Его можно изготовить с помощью простого ручного фрезерного станка.

DeltaWing Manufacturing создает композитные детали для компании Panoz, разработчика и производителя эксклюзивных роскошных спортивных автомобилей американского производства.  Для изготовления компонентов из углеродного волокна компания DeltaWing Manufacturing использовала обработку модели, укладку или отливку формы, а также отделку формы перед применением процесса препрега для ламинирования детали из углеродного волокна.

В последние годы они начали использовать собственные 3D-печатные детали в качестве промежуточного этапа в этом процессе. Компании Panoz потребовалось шесть воздуховодов для крыльев из углеродного волокна для гоночного автомобиля, изготовленного по индивидуальному заказу. Чтобы сократить трудоемкость и время выполнения заказа по сравнению с традиционным методом изготовления форм, инженеры DeltaWing Manufacturing решили напрямую напечатать форму на 3D-принтере и внедрить ее в процесс изготовления препрега.

Необходимое оборудование:

• 3D-принтер Formlabs SLA с высокотемпературной смолой
• Углеродное волокно:4K, двумерный рисунок.
• Смазка для пресс-форм:поливиниловый спирт.
• Каптоновая (полиимидная) лента
• Высокопрочная эпоксидная смола.
• Кисть и ножницы
• Вакуумный мешок, вакуумный насос.

Воздуховод был изготовлен из двух отдельных частей на двух разных формах, чтобы облегчить отделение конечной части от формы, а затем впоследствии склеен. Каждая форма также была напечатана из двух частей и собрана вместе так, чтобы она могла поместиться в объем печати принтера серии Form — однако в этом не было необходимости при большем объеме печати принтера Form 4L. Детали были разработаны для аддитивного производства с учетом рекомендаций по проектированию пресс-форм.

DeltaWing напечатала формы из высокотемпературной смолы на принтере серии Form с высотой слоя 100 микрон. Эта смола была выбрана потому, что она имеет температуру теплового отклонения (HDT) 238 °C при 0,45 МПа, что является самым высоким показателем среди смол Formlabs и одним из самых высоких среди смол на рынке.

Высокотемпературная смола выдерживает высокие температуры отверждения, демонстрирует хорошую жесткость, позволяющую сохранять форму во время эксплуатации, а также высокий уровень детализации, которая будет воплощена в конечной детали. Formlabs рекомендует промывать отпечатки из высокотемпературной смолы IPA в течение 10 минут, постотверждать при 80 °C в течение 120 минут, а затем нагревать детали в течение 3 часов при 160 °C для более высокой HDT.

Компания DeltaWing Manufacturing применила свой обычный процесс изготовления препрега на печатных формах, используя волокно с двумерным рисунком препрега 4K. Каждая форма была покрыта каптоновой лентой для обновления поверхности на каждой итерации формования. Волокно укладывалось в формы, а затем детали помещались в вакуумный пакет и отверждались в автоклаве перед извлечением из формы и обрезкой. Напечатанные формы выдерживали медленное отверждение при 38 °C (100 °F) в течение 10 часов или, альтернативно, быстрое отверждение при 126 °C (260 °F) в течение одного часа без повреждений. На заключительном этапе обе половины углеродного воздуховода были соединены.

Команда протестировала шесть итераций одной формы, не заметив каких-либо существенных ухудшений. По нашим оценкам, для одной формы возможно около 10-15 итераций. Поскольку в процессе отверждения препрега для воздействия тепла и давления используются автоклавы, печатная форма может выдержать лишь несколько итераций. Поэтому этот метод не рекомендуется для крупносерийного производства, но это отличный способ производить мелкосерийные партии и детали, изготавливаемые по индивидуальному заказу. Это обеспечивает широкий спектр применений, таких как высокопроизводительное спортивное оборудование, специальные инструменты для аэрокосмической отрасли или персонализированные протезы, уникальные для пациентов в сфере здравоохранения. 

Существует большой спрос на рабочие процессы, которые сочетают в себе прочность, долговечность и надежность традиционных деталей из углеродного волокна с маневренностью, геометрическими возможностями и повторяемостью 3D-печати. Поэтому неудивительно, что существует множество компаний, занимающихся 3D-печатью, которые предлагают 3D-печать из углеродного волокна, причем в настоящее время доступны два процесса:печать с использованием рубленых волокон или непрерывных волокон.

Используя измельченные углеродные волокна, Nylon 11 CF Powder для промышленного 3D-принтера Fuse 1+ 30 Вт с селективным лазерным спеканием (SLS) позволяет производителям создавать прочные, легкие и термостойкие детали, не полагаясь на традиционные методы наложения или обработки. 

Порошок Formlabs Nylon 11 CF прочный, легкий и термостойкий, что делает его идеальным для автомобильной, аэрокосмической и производственной промышленности.

Производство армированных волокном полимеров — увлекательный, но сложный и трудоемкий процесс. Использование 3D-печатных форм и моделей для изготовления деталей из углеродного волокна позволяет предприятиям снизить сложность рабочего процесса, расширить возможности гибкости и проектирования, а также сократить затраты и время выполнения заказов. 

Для деталей, напечатанных непосредственно на 3D-принтере, которые обладают многими преимуществами углеродного волокна, а также дополнительными преимуществами геометрической гибкости и более простым и эффективным процессом, существуют такие материалы, как порошок Formlabs Nylon 11 CF для 3D-принтеров SLS серии Fuse. 

Чтобы обсудить ваше приложение и определить лучший подход к использованию 3D-печати для деталей из углеродного волокна, свяжитесь с нашей командой. 



Полное руководство по самым прочным материалам для 3D-печати и их долговечности KNB EFX:объединение технологий и искусства для создания точного интерактивного реквизита для фильмов