Композиты и секрет облегчения деталей, обработанных на станках с ЧПУ

Облегчение — это процесс уменьшения веса детали по экологическим и/или экономическим причинам. Инженеры получают легкие детали на уровне проектирования, удаляя ненужный материал, либо вырезая детали, используя решетки в своих конструкциях, либо используя преимущества оптимизации топологии. Еще один эффективный метод облегчения — замена тяжелого материала на более легкий, отвечающий критическим механическим требованиям. Более легкие детали менее вредны для окружающей среды, более экономичны и экономичны, а кроме того, они часто предлагают командам разработчиков больше вариантов материалов.

Облегчение — очень популярный метод в автомобильной, аэрокосмической и строительной отраслях. Общие области применения облегчения веса в автомобильной промышленности — один из самых известных вариантов использования — включают блоки цилиндров, шасси и множество других деталей. Если команда разработчиков стремится уменьшить вес не за счет таких элементов дизайна, как решетки, а за счет включения более легких материалов, важно, чтобы они использовали материал, который не жертвует прочностью или долговечностью — композиты часто отвечают всем требованиям.

Что такое композитный материал?

Композитные материалы представляют собой гетерогенные смеси двух или более материалов, предназначенные для достижения определенных свойств. Окончательные свойства композитного материала в конечном итоге будут зависеть от его состава, но, вообще говоря, композиты прочнее, чем любой из основных материалов сам по себе.

Композитные материалы идеально подходят для облегчения веса, потому что по весу они прочнее большинства однородных материалов с высокими эксплуатационными характеристиками, представленных на рынке. Наиболее распространенная структура композитов состоит из волокон, скрепленных связующей матрицей. Эти компоненты работают вместе, чтобы объединить самые сильные стороны каждого из них. Армирующие волокна в композите несут нагрузку, в то время как окружающая матрица, часто состоящая из полимеров, обеспечивает сохранение положения волокон относительно друг друга. В результате в некоторых случаях композиты могут быть до 10 раз прочнее стали и в 8 раз прочнее алюминия, но при этом удивительно легкие. Детали, изготовленные на станках с ЧПУ и изготовленные из легких композитных материалов, более экономичны, их легче транспортировать и устанавливать.

В дополнение к высокой прочности, долговечности и малому весу композитные материалы, как правило, обеспечивают повышенную гибкость конструкции. Их можно легко формовать, чтобы они соответствовали сложной геометрии, что делает их идеальными для использования с ЧПУ. А поскольку для композитов доступно множество комбинаций материалов, дизайнеры могут найти индивидуальные композиты с ЧПУ, которые будут соответствовать их уникальным требованиям.

Обычные композитные строительные материалы

Две классификации композитных материалов, наиболее применимых для облегчения веса, — это композиты с полимерной матрицей (PMC) и композиты с металлической матрицей (MMC). PMC, также известные как полимеры, армированные волокном, являются наиболее распространенными и используют полимерную смолу для матрицы и углеродное или стекловолокно для армирования. MMC популярны для облегчения веса в автомобильной промышленности и используют такой металл, как алюминий, для матрицы и карбид кремния для армирования волокна.

Облегченные композиты могут быть изготовлены из различных комбинаций материалов, поэтому инженерам есть над чем работать, когда дело доходит до выбора материала. Вот три распространенных композитных строительных материала, которые используются для облегчения деталей, обработанных на станках с ЧПУ.

1. Углерод

Углеродные волокна бывают двух основных разновидностей:углерод на основе полиакрилонитрила (ПАН) и углерод, полученный из смолы. 90% углеродных волокон, представленных сегодня на рынке, изготовлены на основе полиакрилонитрила, и эти волокна обладают высокими значениями жесткости и модуля, а также впечатляющим соотношением прочности к весу. Углерод хорошо подходит для облегчения веса, потому что это композитный материал с низкой плотностью и высоким потенциалом снижения веса — фактически он на 50 % легче стали.

Общие области применения композитов из углеродного волокна, обработанных на станках с ЧПУ, включают рамы, шасси и другие компоненты в аэрокосмической и автомобильной промышленности. К сожалению, стоимость является наиболее существенным ограничением углерода. По данным Международного исследовательского журнала инженерии и технологий, это на 570% дороже, чем сталь, которая является непомерно дорогой для многих групп разработчиков. Кроме того, углеродные волокна обладают низкой ударопрочностью, что следует учитывать инженерам при облегчении веса в автомобильной промышленности.

2. Стекло

Стеклокомпозитные пломбировочные материалы бывают пяти различных коммерческих составов:Е-стекло, С-стекло, S-стекло, R-стекло и Т-стекло. E-стекло является наиболее распространенным стекловолокном, используемым в полимерных матрицах для облегчения веса, и обладает превосходными механическими свойствами, высокой электроизоляцией и низкой восприимчивостью к влаге. Волокна из C-стекла лучше всего подходят для тех случаев, когда от детали требуется химическая стойкость, но S-стекло обладает более высокой прочностью, термостойкостью и модулем.

Стеклянные наполнители по-прежнему можно использовать в качестве композиционного материала для облегчения веса, но инженеры должны знать, что детали, армированные стекловолокном, будут тяжелее, чем детали, армированные углеродным волокном, и требуют специальных конструктивных решений в тех случаях, когда требуется высокая жесткость. Команды разработчиков и дизайнеры должны помнить об этих факторах на этапе проектирования. Несмотря на эти ограничения, во многих продуктах используется стекловолокно, поскольку оно значительно более экономично, чем углеродное волокно.

3. Алюминий

Композиты с металлической матрицей на основе алюминия очень популярны для облегчения веса в автомобильной промышленности. Как правило, алюминиевые сплавы имеют одно из самых высоких соотношений прочности к весу среди общедоступных металлов, обладают отличной электропроводностью и обладают высокой коррозионной стойкостью. Более того, алюминиевые композиты весят примерно в три раза меньше, чем сталь.

Когда алюминий включен в MMC, композитный материал может иметь более высокий модуль, более низкий коэффициент теплового расширения и более высокую твердость, чем неармированный алюминий. Общие области применения в автомобильной промышленности включают рамы автомобилей, электропроводку, колеса, детали двигателя и многое другое. К сожалению, работа с алюминием может привести к увеличению производственных затрат.

Начало работы с ЧПУ композитами

Для инженеров, которые хотят обрабатывать прочные, гибкие и устойчивые к повреждениям детали, не увеличивая их объем, композитные материалы являются идеальным выбором для уменьшения веса. Композиты с полимерной матрицей и металлической матрицей представляют собой две широкие категории композитных материалов, и любой композит, попадающий в одну из этих категорий, может состоять из множества различных комбинаций материалов. Таким образом, командам разработчиков может быть сложно убедиться, что они выбирают правильный композитный материал для своего проекта.

Опытный партнер-производитель, такой как Fast Radius, может помочь командам разработчиков освоить процесс выбора материалов. Наша команда опытных дизайнеров, инженеров, механиков и технологов имеет многолетний опыт руководства командами на протяжении всего процесса разработки продукта, поэтому мы знаем, что исключительная деталь начинается с правильных материалов. Свяжитесь с нами сегодня — мы здесь, чтобы помочь.

Для получения дополнительных советов о том, как максимально эффективно использовать станки с ЧПУ, ознакомьтесь с соответствующими статьями блога в центре ресурсов Fast Radius.

Готовы создавать детали с помощью Fast Radius?

Начать цитату