Использование композитов: ключ к эффективным легким деталям на станках с ЧПУ

Легковесность — это процесс уменьшения веса детали для экологических и/или экономических причин. Инженеры достигают легких деталей на уровне дизайна путем удаления ненужного материала, либо путем выверения деталей, использования решеток в своих дизайнах или использования топологической оптимизации. Другой эффективный метод легковесности — замена тяжелого материала на более легкий, отвечающий критическим механическим требованиям. Легкие детали легче для окружающей среды, более экономичны и более топливные, плюс они часто предлагают продуктовым командам больше вариантов материалов.

Легковесность — очень популярная техника в автомобильной, аэрокосмической и строительной отраслях. Распространенные применения легковесности в автомобильной отрасли — одном из ее самых заметных вариантов использования — включают блоки двигателей, шасси и широкий спектр других деталей. Если продуктовая команда не преследует легковесность через элементы дизайна, такие как решетки, а через включение более легких материалов, важно, чтобы они использовали материал, не жертвующий прочностью или долговечностью — композиты часто подходят.

Что такое композитный материал?

Композитные материалы — это гетерогенные смеси двух или более материалов, спроектированные для достижения специфических свойств. Конечные свойства композитного материала в конечном счете зависят от его состава, но, вообще говоря, композиты прочнее любого базового материала в одиночку.

Композитные материалы идеальны для легковесности, потому что, по весу, они прочнее большинства высокопроизводительных однородных материалов на рынке. Самая распространенная структура для композитов состоит из волокон, удерживаемых связующей матрицей. Эти компоненты работают вместе, чтобы объединить самые сильные аспекты каждого. Укрепляющие волокна в композите несут нагрузку, в то время как окружающая матрица, часто состоящая из полимеров, обеспечивает поддержание волокнами их относительных позиций. В результате в некоторых случаях композиты могут быть до 10 раз прочнее стали и в 8 раз прочнее алюминия, но при этом удивительно легки. Детали на станках с ЧПУ, построенные с легкими композитными материалами, более топливные и легче транспортировать или устанавливать.

Помимо высокой прочности, долговечности и низкого веса, композитные материалы склонны предлагать увеличенную гибкость дизайна. Их можно легко формировать для соответствия сложным геометриям, делая их идеальными для использования с обработкой на станках с ЧПУ. И поскольку существует так много комбинаций материалов, доступных для композитов, дизайнеры могут находить индивидуальные композиты для ЧПУ, которые будут соответствовать их уникальным требованиям.

Распространенные композитные строительные материалы

Две классификации композитных материалов, наиболее применимые к легковесности — полимерно-матричные композиты (PMC) и металло-матричные композиты (MMC). PMC, также известные как волоконно-усиленные полимеры, являются самыми распространенными и используют полимерную смолу для матрицы и углеродное или стеклянное волокно для усиления. MMC популярны для легковесности в автомобильной отрасли и используют металл вроде алюминия для матрицы и карбид кремния для волоконного усиления.

Композиты для легковесности могут быть сделаны из множества разных комбинаций материалов, поэтому инженерам есть много земли для покрытия когда речь идет о выборе материалов. Вот три распространенных композитных строительных материала, используемых для легковесности деталей на станках с ЧПУ.

1. Углерод

Углеродные волокна бывают двух основных типов — на основе полиакрилонитрила (PAN) и пичевые углеродные волокна. 90% углеродных волокон на рынке сегодня — на основе полиакрилонитрила, и эти волокна предлагают высокую жесткость и значения модуля, а также впечатляющее соотношение прочность/вес. Углерод хорошо подходит для легковесности, потому что он композитный материал с низкой плотностью и высоким потенциалом снижения веса — фактически, он на 50% легче стали.

Распространенные применения для композитов из углеродного волокна на станках с ЧПУ включают рамы, шасси и другие компоненты в аэрокосмической и автомобильной отраслях. К сожалению, стоимость — самое значительное ограничение углерода. Он на 570% дороже стали, согласно Международному исследовательскому журналу инженерии и технологий, что запретительно дорого для многих продуктовых команд. Также углеродные волокна имеют низкую ударную устойчивость, которую инженеры должны учитывать для легковесности в автомобильной отрасли.

2. Стекло

Стеклянные композитные наполнительные материалы бывают в пяти разных коммерческих композициях — E-стекло, C-стекло, S-стекло, R-стекло и T-стекло. E-стекло — самое распространенное стекловолокно, используемое в полимерных матрицах для легковесности, и предлагает отличные механические свойства, высокую электрическую изоляцию и низкую восприимчивость к влаге. C-стекловолокна лучше для применений, где деталь требует химической устойчивости, но S-стекло имеет более высокую прочность, теплостойкость и модуль.

Стеклянные наполнители все еще могут использоваться как композитный материал для легковесности, но инженеры должны знать, что детали, усиленные стекловолокном, будут тяжелее, чем детали, усиленные углеродным волокном, и требуют специальных дизайнерских приспособлений в применениях, где требуется высокая жесткость. Продуктовые команды и дизайнеры должны держать эти факторы в уме на фазе дизайна. Несмотря на эти ограничения, многие продукты используют стекловолокна, потому что они значительно более экономичны, чем углеродные волокна.

3. Алюминий

Алюминиевые металло-матричные композиты очень популярны для легковесности в автомобильной отрасли. В общем, алюминиевые сплавы имеют некоторые из самых высоких соотношений прочность/вес из распространенных металлов, предлагают отличную электрическую проводимость и высококоррозионно-стойки. Что больше, алюминиевые композиты весят около трети от веса стали.

Когда алюминий включен в MMC, композитный материал может иметь более высокий модуль, более низкий коэффициент термического расширения и более высокую твердость, чем неусиленный алюминий. Распространенные применения в автомобильной отрасли включают рамы транспортных средств, электропроводку, колеса, детали двигателя и больше. К сожалению, работа с алюминием может увеличить производственные затраты.

Начало работы с композитами для ЧПУ

Для инженеров, стремящихся обрабатывать прочные, гибкие и устойчивые к повреждениям детали без добавления лишнего объема, композитные материалы — идеальный выбор для легковесности. Полимерно-матричные и металло-матричные композиты представляют две широкие категории композитных материалов, и любой композит, попадающий в одну из этих категорий, может состоять из множества разных комбинаций материалов. Как таковое, может быть сложно для продуктовых команд гарантировать, что они выбирают правильный композитный материал для своего проекта.

Опытный производственный партнер вроде Fast Radius может помочь продуктовым командам освоить процесс выбора материалов. Наша команда экспертных дизайнеров, инженеров, машинистов и технологиев имеет десятилетия опыта в сопровождении команд через весь процесс разработки продукта, поэтому мы знаем, что исключительная деталь начинается с правильных материалов. Свяжитесь с нами сегодня — мы здесь, чтобы помочь.

Для дополнительных советов о том, как максимально использовать обработку на станках с ЧПУ, ознакомьтесь со связанными статьями блога в ресурсном центре Fast Radius.

Готовы сделать ваши детали с Fast Radius?

Начните ваш расчет стоимости