Пошаговое руководство по производству высокопроизводительных компонентов из углеродного волокна

Композитные материалы, такие как пластики, усиленные углеродным волокном, — высоко универсальные и эффективные материалы, движущие инновации в различных рынках от авиакосмической до здравоохранения. Они превосходят традиционные материалы — сталь, алюминий, дерево, пластик — и позволяют изготавливать высокопроизводительные легкие изделия.

В этом руководстве изучите основы производства деталей из углеродного волокна, включая различные методы укладки, ламинирования и формовки углеродного волокна, и как вы можете использовать 3D-печать для изготовления форм для углеродного волокна для снижения затрат и экономии времени. Напрямую 3D-печатанные композиты также существуют, такие как Formlabs Nylon 11 CF Powder — углеродно-волокнисто-наполненный материал, идеальный для приложений, требующих и превосходной жесткости, и прочности. При печати на принтере Formlabs Fuse 1+ 30W Nylon 11 CF Powder производит легкие, ригидные детали, остающиеся структурно и термически стабильными и способные выдерживать повторные удары.

Запрос образца Nylon 11 CF Powder

Посмотрите и почувствуйте качество наполненного нейлона углеродным волокном. Мы пришлем бесплатный образец детали в ваш офис.

Запросить бесплатный образец

Композитный материал — комбинация двух или более компонентов с характеристиками, отличными от индивидуальных компонентов самих по себе. Инженерные свойства обычно улучшаются: добавленная прочность, эффективность или долговечность. Композиты состоят из армирования — волокна или частицы — удерживаемого вместе матрицей (полимер, металл или керамика).

Полимеры, усиленные волокном (FRP), доминируют на рынке и топливают рост новых приложений в разных отраслях. Среди них углеродное волокно — широко используемый композит, в частности для авиации, гоночных автомобилей и велосипедов, так как оно более чем в 3 раза прочнее и жестче алюминия, но на 40% легче. Оно формируется усиленным углеродным волокном, связанным с эпоксидной смолой.

Волокна могут быть однонаправленными (uni-weave) и стратегически выровненными для создания прочности относительно вектора. Переплетенные волокна создают прочность в нескольких векторах и отвечают за фирменный стеганый вид композитных деталей. Часто детали производятся комбинацией обоих. Существует несколько типов волокон, включая:

Смола используется для удержания этих волокон вместе и создания ригидного композита. Хотя сотни типов смол могут применяться, вот самые популярные:

Производство полимеров, усиленных волокном, таких как детали из углеродного волокна — мастерский и трудоемкий процесс, используемый как в единичном, так и в серийном производстве. Время цикла варьируется от 1 часа до 150 часов в зависимости от размера и сложности детали. Обычно в фabricации FRP непрерывные прямые волокна соединяются в матрице для формирования отдельных пластов (plies), которые ламинируются слой за слоем на конечную деталь.

Композитные свойства индуцируются материалами так же, как и ламинирующим процессом: способ включения волокон сильно влияет на производительность детали. Термореактивные смолы формируются вместе с армированием в инструменте или форме и удерживаются для формирования надежного продукта. Существует различные техники ламинирования, которые можно разделить на три основных типа:

В мокрой укладке (wet lay-up) волокно режется и укладывается в форму, затем смола наносится кистью, валиком или распылителем. Этот метод требует наибольших навыков для создания качественных деталей, но также является наименее дорогим воркфлоу с самыми низкими требованиями для начала DIY-производства деталей из углеродного волокна. Если вы новичок в производстве деталей из углеродного волокна и еще не оборудованы, мы рекомендуем начать с мокрой укладки ручного ламинирования.

Смотрите видео, чтобы увидеть, как работает процесс мокрой укладки углеродного волокна.

В ламинировании препрегом (prepreg lamination) смола пропитывает волокно заранее. Предимпрогнированные листы хранятся в холоде для ингибирования отверждения. Пласты затем удерживаются в форме под теплом и давлением в автоклаве. Это более точный и повторяемый процесс, так как количество смолы контролируется, но также самый дорогой метод, обычно используемый в высокопроизводительных приложениях.

В формовке RTM (Resin Transfer Molding) сухое волокно вставляется в двухчастную форму. Форма зажимается перед форсированием смолы в полость под высоким давлением. Обычно автоматизировано и используется для более крупного объема производства.

Поскольку качество формы напрямую влияет на качество конечной детали, изготовление инструментов — критический аспект производства FRP. Большинство форм производятся из воска, пены, дерева, пластика или металла через ЧПУ-обработку или ручную работу. Хотя ручные техники высоко трудоемки, ЧПУ-обработка все равно следует сложному, трудоемкому воркфлоу — особенно для сложных геометрий — а аутсорсинг обычно стоит дорого с долгим лид-таймом. Оба варианта требуют квалифицированных рабочих и предлагают мало гибкости на итерациях дизайна и корректировках формы.

Аддитивное производство предлагает решение для быстрого производства форм и выкройок при низких затратах для изготовления деталей из углеродного волокна. Использование полимерного инструментария в производственных процессах растет непрерывно. Замена металлических инструментов пластиковыми деталями, напечатанными в-house — мощное и стоимоэффективное средство сокращения производственного времени при расширении дизайнерской гибкости. Инженеры уже работают с полимерными смольными 3D-печатанными деталями для производственных приспособлений и оснастки, поддерживающих методы вроде намотки нити или автоматизированного размещения волокна. Точно так же короткосерийные 3D-печатанные формы и штампы применяются в литье под давлением, термоформовании или штамповке листового металла для доставки мелкосерийных партий.

Внутренняя настольная 3D-печать требует ограниченного оборудования и снижает сложность воркфлоу. Профессиональные настольные смольные принтеры вроде Form 4 доступны, легко внедряются и могут быстро масштабироваться с спросом. Производство крупных инструментов и форм также возможно с крупноформатными 3D-принтерами вроде Form 4L.

Технология стереолитографии (SLA) 3D-печати создает детали с очень гладкой отделкой поверхности, что критично для форм укладки углеродного волокна. Позволяет сложные геометрии с высокой точностью. Кроме того, Библиотека смол Formlabs имеет инженерные материалы с механическими и термическими свойствами, хорошо сочетающимися с производством форм и выкройок.

3D-печатанные формы для производства деталей из углеродного волокна могут снизить затраты и сократить лид-таймы.

Архитектура формы и рекомендации по дизайну

При проектировании своей формы учитывайте, что будет успешно напечатано, а также что успешно сформуется. Разные архитектуры форм используются для создания разных типов геометрии:

• Однокомпонентная форма в вакуумном мешке: Для деталей, которым нужна одна сторона класса А (глянцевая отделка). Может быть позитивной или негативной, в зависимости от того, какая сторона должна быть класса А. Одна сторона — поверхность формы, другая — поверхность вакуумного мешка.
• Двухкомпонентная форма в компрессионном формовании: Для деталей, где обе стороны должны быть класса А. Обе стороны — поверхности формы.
• Бладдер-форма в давленном формовании: Для сложной геометрии, где вакуумный мешок или компрессионная форма не применимы из-за невозможности разделки. Одна сторона — поверхность формы, другая — поверхность бладдера.
• Выкройка формы для создания негативной формы: Когда желательно несколько форм для увеличения производства. Несколько форм могут быть сделаны из одной выкройки.

Добавьте угол наклона (draft angle): Два-три градуса положительного угла наклона облегчат этап разделки и увеличат срок службы формы, в частности для жестких форм. Однако использование гибкого 3D-печатаемого материала вроде Tough 1500 Resin позволяет создавать детали без угла наклона и включать сложные геометрии, которые не могли бы быть разделки из жесткой формы. Установите минимальный радиус, соответствующий толщине вашего материала: это помогает волокнам выравниваться на углах, избегая включения воздуха, и создавать повторяемые качественные детали. Избегайте крутых и близко расположенных углов, так как текучие геометрии легче работать, чем коробчатые, ребристые.

Установите минимальный радиус, соответствующий толщине вашего материала: Это помогает волокнам выравниваться на углах, избегая включения воздуха, и создавать повторяемые качественные детали. Избегайте крутых и близко расположенных углов, так как текучие геометрии легче работать, чем коробчатые, ребристые.

Включите локаторные шплинты и впадины для форм, требующих точного выравнивания. Одно из больших преимуществ 3D-печати — она позволяет сложность в геометрии выравнивания и помогает фabриковать дизайны, чувствительные к позиционированию.

Включите поверхностный оверран (surface overrun): излишки материала с расширенной поверхности будут обрезаны для проведения точной линии обрезки. 3D-печать позволяет печатать в оверране без необходимости фabриковать выбросы.

Добавьте линии обрезки (trim lines): 3D-печать позволяет включить точные фиксы для ухода: направляющие для сверления, риски для ручной обрезки, направляющие для фрезеровки.

Другие лучшие практики:

• Печатайте при наименьшей возможной высоте слоя для оптимизации разрешения и этапа разделки.
• Избегайте поддержек на лицевых поверхностях формы для лучшей отделки.
• Используйте отделитель (release agent): это обязательно для процесса разделки.
• Для избежания включения воздуха: после перемешивания и смешивания подождите две минуты, чтобы воздух выступил из смолы. Повторите после нанесения первого слоя смолы кистью. Если остаются мелкие пузырьки воздуха, их можно отполировать и запечатать в постобработке.

Formula Student — ежегодное инженерное соревнование по дизайну, в котором студенческие команды со всего мира строят и гонят формулы. Команда Formula Student TU Berlin (FaSTTUBe) — одна из крупнейших групп; 80-90 студентов разрабатывают новые гоночные автомобили каждый год с 2005 года.

Команда Formula Student в TU Berlin (FasSTTUBe) строит три автомобиля для ежегодного соревнования Formula Student.

С доступом почти ко всему спектру технологий фabricации, команда FasSTTUBe использует 3D-печать для трех целей:

1. Прототипы: печатают прототипы для различных деталей, таких как крепления антиролл-бара или стейкхолдеры HV-батареи.
2. 3D-печатанные формы для углеродного волокна: команда напечатала дюжину форм для фabricации деталей из углеродного волокна, которые не могли быть сделаны иначе.
3. Конечные детали: около 30 деталей на финальных автомобилях напрямую 3D-печатаны: от держателей кнопок, переключателей руля до шлангов и коннекторов датчиков систем охлаждения.

В этом кейсе мы смотрим в детали приложения формовки, которое они использовали для фabricации корпуса и рукоятей руля из углеродного волокна.

Снижение веса критично в конструкции гоночных автомобилей. В усилиях облегчить детали, они могли бы напечатать полые рукояти руля, но они не были бы достаточно прочны для хвата пилота. Углеродное волокно — отличный материал для снижения веса с сохранением или увеличением прочности. Чтобы фabricацировать деталь из углеродного волокна в этом году, Феликс Хилькен, глава аэродинамики и углеродного производства, разработал воркфлоу с 3D-печатанными формами для мокрой укладки ламинирования.

Необходимое оборудование:

• SLA 3D-принтер Formlabs с Tough 1500 Resin
• Углеродное волокно: три слоя 200г, 3K, 0,3мм, ткань twill
• Отделитель формы: воск и поливиниловый спирт
• Высокопрочная эпоксидная смола
• Кисть и ножницы
• Вакуумный мешок, вакуумный насос и ткань-бритвер
• Наждачная бумага

Рукоять производилась в двух половинах для возможности разделки детали. Для каждой половины рукояти Феликс спроектировал двухчастную форму, включая особенности, сложные для производства без 3D-печати, в частности:

• Тонкие детали: тугие внутренние радиусы, изгибающиеся поверхности, переменные радиусы поверхностей
• Круглые тугие края, которые не могли быть разделки из алюминиевой формы
• Впадины для локации сверления, так как деталь чувствительна к позиционированию

Команда напечатала формы на принтере Form Series с Tough 1500 Resin при высоте слоя 50 микрон. Печати промывали два периода по 10 минут в ИПА и пост-удерживали 60 минут при 70 °C. Tough 1500 Resin выбран, потому что балансирует удлинение и модуль: детали, напечатанные в этом материале, могут значительно гнуться и быстро возвращаться в исходную форму. Это желаемое механическое свойство для предотвращения поломки формы при разделке.

Нанесите отделитель для облегчения разделки. Критический первый шаг: если некоторые поверхности не покрыты, деталь не отделится от формы.

1. Покройте воском (опционально, но рекомендуется)
2. Покройте поливиниловым спиртом (PVA)

Смешайте смолу с отвердителем. Соотношение смешивания должно соблюдаться точно. Если оно отстает даже на несколько процентов от целевого соотношения, деталь будет либо слишком мягкой, либо только частично удержанной. Следуйте инструкциям производителя смолы внимательно и читайте техническую карту безопасности перед использованием. С смолой, которую использовал Феликс, полимеризация начинается через два часа после смешивания смолы, оставляя два часа на операцию укладки.

Нанесите смолу кистью на позитивную сторону формы.

Уложите пласт углеродного волокна на позитивную сторону формы. Убедитесь, что следуете всем контурам. Команда использовала 3K волокно для баланса толщины плетения и цены. Оно специально спроектировано для следования сложным контурам и не имеет поддерживающих нитей.

Нанесите смолу на углеродный пласт и повторите процесс укладки. Смола связывает слои вместе, формируя матричный компонент в детали и предотвращая перевыравнивание волокна. Феликс использовал три пласта углеродного волокна.

Нанесите финальный слой смолы на негативную часть формы и сжмите обе половины формы вместе, чтобы избежать формирования пузырьков воздуха и их проникновения через волокна.

Отрежьте лишний материал ножницами.

Удерживайте 48 часов в вакуумном мешке. Во время этого процесса полимеризации вакуумный мешок вытягивает воздух и прижимает пласты к форме при комнатной температуре, избавляясь от излишков смолы. Обеспечивает желаемое объемное соотношение смолы к волокну для соответствия нужной жесткости детали.

Финиш: зашурфуйте все края. Для очистки формы после процесса Феликс опустил ее в воду на около 30 минут для растворения PVA, затем использовал мелкозернистую наждачку 1500 для удаления остаточной смолы.

Используя углеродное волокно, команда снизила вес корпуса руля с 120 г до 21 г и смогла протолкнуть дизайн к геометриям, экстремально сложным для традиционного производства. «Отличное в 3D-печати то, что сложная форма так же легко производится, как простая, требует того же объема работы и оборудования», — говорит Феликс.

Без 3D-печати команде пришлось бы аутсорсить ЧПУ-фрезеровку алюминиевой формы, что дорого, имеет долгий лид-тайм и требует специализированных инструментов. «Я бы фрезеровал форму по ЧПУ, мне понадобились бы специализированные инструменты, ждать слот на станке. Но я даже не мог бы сделать эту геометрию. В частности некоторые маленькие углы. Мне бы пришлось использовать дизайн без винтов, так что деталь не была бы чувствительной к позиционированию».

По его оценке, одна форма, напечатанная с Formlabs Tough 1500 Resin, может использоваться для фabricации около десяти деталей. Поскольку это ручной процесс, зависит от тщательности оператора: форма может сломаться при разделке. Однако множественные 3D-печатанные формы могут увеличить производство. Другое решение для продления жизни формы — поддержать ее металлической универсальной формой. 3D-печатанный вставка несет геометрию, а резервная металлическая форма помогает держать форму. Это можно фabриковать простым ручным фрезерным станком.

DeltaWing Manufacturing создает композитные детали для компании Panoz, дизайнера и производителя эксклюзивных американских люксовых спортивных автомобилей. Для фabricации деталей из углеродного волокна DeltaWing Manufacturing раньше фрезеровали выкройку, укладывали или лили форму на ней, и финишили форму перед применением препрег-процесса к ламинированию детали из углеродного волокна.

В последние годы они начали использовать в-house 3D-печатанные детали как промежуточный шаг в этом процессе. Panoz нуждался в шести единицах воздушного канала фендера из углеродного волокна для кастомного гоночного автомобиля. Для снижения труда и лид-тайма от их традиционной техники изготовления форм инженеры DeltaWing Manufacturing выбрали прямую 3D-печать формы и внедрение в их препрег-процесс.

Необходимое оборудование:

• SLA 3D-принтер Formlabs с High Temp Resin
• Углеродное волокно: 4K, двумерный паттерн
• Отделитель формы: поливиниловый спирт
• Лента Kapton (полиимид)
• Высокопрочная эпоксидная смола
• Кисть и ножницы
• Вакуумный мешок, вакуумный насос

Канал фabricациировался в двух отдельных деталях на двух разных формах для облегчения разделения конечной детали от формы, а затем склеивался. Каждая форма также печаталась в двух частях и собиралась вместе, чтобы поместиться в объем печати принтера Form Series — однако это не потребовалось бы с большим объемом печати Form 4L. Детали спроектированы для аддитивного производства, следуя рекомендациям по дизайну форм.

DeltaWing напечатала формы из High Temp Resin на принтере Form Series при высоте слоя 100 микрон. Эта смола выбрана, потому что у нее температура деформации под нагрузкой (HDT) 238 °C @ 0,45 МПа — самая высокая среди смол Formlabs и одна из самых высоких среди смол на рынке.

High Temp Resin выдерживает высокие температуры удерживания, показывает хорошую жесткость для удержания формы во время операции и отличный уровень деталей, переводимый в конечную деталь. Formlabs рекомендует промывать печати High Temp Resin ИПА 10 минут, пост-удерживать при 80 °C 120 минут, затем нагревать детали 3 часа при 160 °C для более высокого HDT.

DeltaWing Manufacturing применила свой обычный препрег-процесс на напечатанных формах, используя препрег 4K двумерный паттерн волокна. Каждая форма была покрыта лентой Kapton для обновления поверхности на каждой итерации формовки. Волокно укладывалось на формы, затем детали помещались в вакуумный мешок и удерживались в автоклаве перед разделкой и обрезкой. Напечатанные формы выдержали медленное удерживание при 38 °C (100 °F) 10 часов, или альтернативно быстрое удерживание при 126 °C (260 °F) 1 час без повреждений. Обе половины углеродного канала были склеены в финальном шаге.

Команда протестировала шесть итераций для одной формы без наблюдения значительной деградации. Оцениваем около 10-15 итераций возможно для одной формы. Поскольку автоклавы используются для приложения тепла и давления при удерживании в препрег-процессе, напечатанная форма может выдержать лишь несколько итераций. Поэтому этот метод не рекомендуется для высокообъемного производства, но это отличный способ производства коротких серий и масс-кастомизированных деталей. Это открывает широкий спектр приложений: высокопроизводительное спортивное оборудование, кастомные приспособления для авиации, персонализированные протезы, уникальные для пациентов в здравоохранении.

Существует сильный спрос на воркфлоу, сочетающие прочность, долговечность и грубую надежность традиционных деталей из углеродного волокна с гибкостью, геометрическими возможностями и повторяемостью 3D-печати. Поэтому неудивительно, что много 3D-печатающих компаний предлагают 3D-печать углеродного волокна, с двумя доступными процессами: печать с рубленым волокном или непрерывным волокном.

Используя рубленое углеродное волокно, Nylon 11 CF Powder для промышленного SLS-3D-принтера Fuse 1+ 30W позволяет производителям создавать прочные, легкие и теплоустойчивые детали, не полагаясь на традиционные методы наложения или обработки.

Formlabs Nylon 11 CF Powder — прочен, легок и теплоустойчив, идеален для авто, авиации и производственных приложений.

Производство полимеров, усиленных волокном — захватывающий, но сложный и трудоемкий процесс. Использование 3D-печатанных форм и выкройок для изготовления деталей из углеродного волокна позволяет бизнесу снизить сложность воркфлоу, расширить гибкость и дизайнерские возможности, снизить затраты и лид-тайм.

Для напрямую 3D-печатанных деталей, предлагающих многие преимущества углеродного волокна с дополнительными преимуществами геометрической гибкости и более простого и эффективного процесса, существуют материалы вроде Formlabs Nylon 11 CF Powder для SLS-3D-принтеров серии Fuse.

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