新技術(shù):碳纖維3D打?。ㄒ唬?/h3>
魔猴君 行業(yè)資訊 1772天前
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自1970年代以來(lái),由于碳纖維具有很高的強(qiáng)度重量比和剛度,因此已被用作相對(duì)便宜的替代金屬,如鈦材料等。因此,尋找一種用碳纖維和其他增強(qiáng)材料進(jìn)行3D打印的方法已成為增材制造領(lǐng)域許多初創(chuàng)企業(yè)和成熟制造商的目標(biāo)。
Markforged是第一個(gè)使用MarkOne 3D打印機(jī)將連續(xù)碳纖維用于3D打印的公司。
魔猴網(wǎng)將在簡(jiǎn)短的系列文章中研究這種奇妙的材料,該材料跟蹤碳纖維的根源和生命周期,如何在制造中使用碳纖維以及如何將其編織到3D打印中。要了解在3D打印中如何使用碳纖維增強(qiáng)材料以及為什么使用碳纖維增強(qiáng)材料,有助于了解碳纖維增強(qiáng)材料在傳統(tǒng)制造中的使用方式以及碳纖維零件的制造方式。
全球碳纖維技術(shù)發(fā)展情況
不管您是否知道,碳纖維已經(jīng)進(jìn)入您的世界。盡管它主要用于航空航天,但也越來(lái)越多地進(jìn)入汽車,土木工程,電子和體育用品領(lǐng)域。航空航天領(lǐng)域的主要目標(biāo)之一是減輕飛機(jī)的重量,從而減少將大型飛機(jī)推向天空所需的昂貴燃料。波音787夢(mèng)幻客機(jī)成為第一架由50%的復(fù)合材料(主要是碳纖維)制成的飛機(jī),但最近被空中客車A350 XWB所取代,該飛機(jī)的碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)零件為52%。
BMW i3的碳纖維底盤。
在汽車工業(yè)中,由于碳纖維的價(jià)格,CFRP組件更可能出現(xiàn)在特種車輛中,例如賽車和超級(jí)跑車。寶馬在量產(chǎn)的i3和i8電動(dòng)汽車的材料方面發(fā)揮了專業(yè)知識(shí),其底盤由大量CFRP零件制成。通過(guò)使用碳纖維,汽車公司能夠減輕車輛的重量,從而使電池進(jìn)一步推動(dòng)汽車行駛。但是,更新的iNext將減少CFRP項(xiàng)目,部分原因是增加的電池容量和對(duì)電動(dòng)汽車的需求增加,從而使碳纖維的成本競(jìng)爭(zhēng)力降低。
如果您是狂熱的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員或騎自行車者,則可能已投資購(gòu)買了碳纖維球拍或自行車車架。還有,您可能會(huì)開車經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)碳纖維增強(qiáng)混凝土改造的橋梁。
碳纖維的制造方法
碳纖維是在19世紀(jì)下半葉發(fā)明的,用作燈泡中的燈絲。直到1958年,聯(lián)合碳化物公司才開始制造用于制造的碳纖維,全世界的研究人員都在同時(shí)追求這一目標(biāo)。如今,大約90%的碳纖維是通過(guò)加熱稱為聚丙烯腈(PAN)的石油衍生聚合物來(lái)制造的。由于其普遍存在,我們將繼續(xù)專注于生產(chǎn)PAN基碳纖維。在將PAN加熱到300°C之前,先將其纏繞成長(zhǎng)絲紗線,然后再將其穩(wěn)定化,以預(yù)料隨后的步驟:碳化。在碳化過(guò)程中,將前體材料拉成長(zhǎng)束,并在惰性(無(wú)氧)室內(nèi)加熱到2000°C。沒有氧氣,材料不會(huì)燃燒,而是會(huì)除去除碳原子以外的所有碳。結(jié)果是形成了一層僅5至10微米厚的細(xì)絲狀碳層。然后將碳纖維浸入氣體(空氣,二氧化碳或臭氧)或液體(次氯酸鈉或硝酸)中,以便可以更輕松地與其他材料粘合。
碳纖維可以繞成卷軸,也就是所謂的“絲束”,然后以這種形式使用。但是,更常見的是將其編織成薄板。然后將這些薄板與聚合物樹脂基體結(jié)合在一起,制成CFRP零件。發(fā)生這種情況的方式很大程度上取決于要制造的組件類型。可以將碳纖維板放入模具中,然后在模具中填充樹脂并加熱或暴露在空氣中直至變硬?;蛘?,可以在模具上襯上增強(qiáng)纖維布,然后將其放入充滿樹脂的真空袋中。這些過(guò)程通常是勞動(dòng)密集型的,這就是為什么要進(jìn)行批量生產(chǎn)時(shí),使用金屬模具將基體材料和碳纖維材料沖壓在一起的原因。使用預(yù)浸材料可以加快這些過(guò)程。預(yù)浸料使用增強(qiáng)纖維,該增強(qiáng)纖維已被聚合物基質(zhì)浸透,并且易于部署。
對(duì)于諸如飛機(jī)的大規(guī)模操作,已經(jīng)開發(fā)了更先進(jìn)和更昂貴的鋪設(shè)碳纖維的方法。自動(dòng)膠帶鋪設(shè)可以在寬3至12英寸的預(yù)浸料帶,然后使用大型機(jī)械龍門系統(tǒng)將其卷繞到一個(gè)部件上,進(jìn)行加熱和壓縮。盡管它的吞吐率不盡相同,但自動(dòng)纖維鋪放(AFP)技術(shù)與碳纖維絲束執(zhí)行的操作類似,從而可以實(shí)現(xiàn)更高的精度和幾何復(fù)雜性。
各向異性
值得一提的是碳纖維表現(xiàn)出各向異性(方向相關(guān))的特性。考慮一下一塊纖維增強(qiáng)材料,例如一塊木板,這是最有幫助的:沿紋理最硬。因此,在制造增強(qiáng)布時(shí),碳纖維經(jīng)常以縱橫交錯(cuò)的方式編織。隨著我們了解將碳纖維引入3D打印的各種方法(例如,與連續(xù)碳纖維相比,短切碳纖維的強(qiáng)度),這一特性將發(fā)揮作用。
3D打印中的碳纖維
在碳纖維3D打印的整個(gè)世界中都可以找到許多上述技術(shù)和應(yīng)用。用于纖維增強(qiáng)的3D打印的一些新興方法嚴(yán)重依賴于預(yù)浸料,而其他方法則使用絲束。在第二部分中,我們將專門研究當(dāng)前用于碳纖維3D打印的各種技術(shù)。
來(lái)源:中國(guó)3D打印網(wǎng)