Composieten en het geheim van het lichter maken van CNC-gefreesde onderdelen

Lichtgewicht is het proces van het verminderen van het gewicht van een onderdeel om ecologische en/of economische redenen. Ingenieurs bereiken lichtgewicht onderdelen op ontwerpniveau door onnodig materiaal te verwijderen, hetzij door onderdelen uit te boren, roosters in hun ontwerpen te gebruiken of te profiteren van topologie-optimalisatie. Een andere effectieve methode om lichtgewicht te maken, is het verwisselen van een zwaar materiaal voor een lichter materiaal dat voldoet aan kritische mechanische vereisten. Lichtere onderdelen zijn milieuvriendelijker, kostenefficiënter en zuiniger, en ze bieden productteams vaak meer materiaalopties.

Lichtgewicht is een zeer populaire techniek in de auto-, ruimtevaart- en bouwsector. Veelvoorkomende toepassingen voor lichtgewichten in de auto-industrie - een van de meest prominente gebruiksscenario's - zijn onder meer motorblokken, chassis en een groot aantal andere onderdelen. Als een productteam geen lichtgewicht ontwerp nastreeft door middel van ontwerpelementen zoals roosters, maar door het gebruik van lichtere materialen, is het belangrijk dat ze een materiaal gebruiken dat niet ten koste gaat van sterkte of duurzaamheid - composieten zijn vaak de juiste keuze.

Wat is een composietmateriaal?

Composietmaterialen zijn heterogene mengsels van twee of meer materialen die zijn ontworpen om specifieke eigenschappen te bereiken. De uiteindelijke eigenschappen van het composietmateriaal zullen uiteindelijk afhangen van de samenstelling, maar over het algemeen zijn composieten sterker dan elk basismateriaal op zich.

Composietmaterialen zijn ideaal voor lichtgewicht omdat ze qua gewicht sterker zijn dan de meeste hoogwaardige homogene materialen op de markt. De meest voorkomende structuur voor composieten bestaat uit vezels die bij elkaar worden gehouden door een bindende matrix. Deze componenten werken samen om de sterkste aspecten van elk te combineren. De versterkende vezels in het composiet dragen de belasting, terwijl de omringende matrix, die vaak uit polymeren bestaat, ervoor zorgt dat de vezels hun relatieve posities behouden. Hierdoor kunnen composieten in sommige gevallen tot 10 keer sterker zijn dan staal en 8 keer sterker dan aluminium, maar toch opmerkelijk licht. CNC-gefreesde onderdelen gebouwd met lichtgewicht composietmaterialen zijn zuiniger en gemakkelijker te vervoeren of te installeren.

Naast hoge sterkte, duurzaamheid en laag gewicht, bieden composietmaterialen vaak meer ontwerpflexibiliteit. Ze kunnen gemakkelijk worden gevormd om te passen in complexe geometrieën, waardoor ze ideaal zijn voor gebruik met CNC-bewerkingen. En aangezien er zoveel materiaalcombinaties beschikbaar zijn voor composieten, kunnen ontwerpers op maat gemaakte CNC-composieten vinden die aan hun unieke eisen voldoen.

Veelvoorkomende composiet bouwmaterialen

De twee classificaties van composietmaterialen die het meest van toepassing zijn op lichtgewichten zijn polymeermatrixcomposieten (PMC's) en metaalmatrixcomposieten (MMC's). PMC's, ook wel vezelversterkte polymeren genoemd, zijn de meest voorkomende en gebruiken een op polymeer gebaseerde hars voor de matrix en een koolstof- of glasvezel voor de versterking. MMC's zijn populair voor lichtgewichten in de auto-industrie en gebruiken een metaal zoals aluminium voor de matrix en siliciumcarbide voor vezelversterking.

Lichtgewicht composieten kunnen worden gemaakt van veel verschillende combinaties van materialen, dus ingenieurs hebben veel te doen als het gaat om materiaalkeuze. Hier zijn drie veelvoorkomende composiet bouwmaterialen die worden gebruikt voor het lichter maken van CNC-gefreesde onderdelen.

1. Koolstof

Koolstofvezels zijn er in twee hoofdvarianten:op polyacrylonitril gebaseerde (PAN) koolstof en van pek afgeleide koolstof. 90% van de koolstofvezels die momenteel op de markt zijn, zijn gebaseerd op polyacrylonitril en deze vezels bieden hoge stijfheid en moduluswaarden, evenals een indrukwekkende sterkte-gewichtswaarde. Carbon is zeer geschikt voor lichtgewichten omdat het een composietmateriaal met een lage dichtheid is met een hoog gewichtsreductiepotentieel - in feite is het 50% lichter dan staal.

Veelvoorkomende toepassingen voor CNC-gefreesde koolstofvezelcomposieten zijn frames, chassis en andere componenten in de lucht- en ruimtevaart- en auto-industrie. Helaas zijn de kosten de belangrijkste beperking van koolstof. Het is 570% duurder dan staal, volgens het International Research Journal of Engineering and Technology, dat voor veel productteams onbetaalbaar is. Bovendien hebben koolstofvezels een lage slagvastheid, wat ingenieurs in gedachten moeten houden voor lichtgewichten in de auto-industrie.

2. Glas

Glascomposietvulmaterialen zijn er in vijf verschillende commerciële samenstellingen:E-glas, C-glas, S-glas, R-glas en T-glas. E-glas is de meest voorkomende glasvezel die wordt gebruikt in polymeermatrices voor lichtgewichten en biedt uitstekende mechanische eigenschappen, hoge elektrische isolatie en lage gevoeligheid voor vocht. C-glasvezels zijn het beste voor toepassingen waarbij het onderdeel chemische bestendigheid vereist, maar S-glas heeft een hogere sterkte, hittebestendigheid en modulus.

Glasvullers kunnen nog steeds worden gebruikt als composietmateriaal voor lichtgewichten, maar ingenieurs moeten weten dat glasvezelversterkte onderdelen zwaarder zullen zijn dan koolstofvezelversterkte onderdelen en speciale ontwerpaanpassingen vereisen in toepassingen waar een hoge stijfheid vereist is. Productteams en ontwerpers moeten deze factoren in gedachten houden tijdens de ontwerpfase. Ondanks deze beperkingen maken veel producten gebruik van glasvezels omdat deze aanzienlijk kosteneffectiever zijn dan koolstofvezels.

3. Aluminium

Op aluminium gebaseerde metaalmatrixcomposieten zijn erg populair voor lichtgewichten in de auto-industrie. Over het algemeen hebben aluminiumlegeringen enkele van de hoogste sterkte-gewichtsverhoudingen van algemeen beschikbare metalen, bieden ze een uitstekende elektrische geleidbaarheid en zijn ze zeer corrosiebestendig. Bovendien wegen aluminiumcomposieten ongeveer een derde van wat staal doet.

Wanneer aluminium wordt opgenomen in een MMC, kan het composietmateriaal een hogere modulus, een lagere thermische uitzettingscoëfficiënt en een hogere hardheid hebben dan ongewapend aluminium. Veelvoorkomende toepassingen in de auto-industrie zijn onder meer voertuigframes, elektrische bedrading, wielen, motoronderdelen en meer. Helaas kan het werken met aluminium de productiekosten opdrijven.

Aan de slag met CNC-composieten

Voor ingenieurs die sterke, flexibele en schadebestendige onderdelen willen bewerken zonder extra massa toe te voegen, zijn composietmaterialen de perfecte keuze voor lichtgewicht. Polymeermatrix en metaalmatrixcomposieten vertegenwoordigen twee brede categorieën composietmaterialen, en elke composiet die in een van deze categorieën valt, kan uit veel verschillende combinaties van materialen bestaan. Als zodanig kan het voor productteams een uitdaging zijn om ervoor te zorgen dat ze het juiste composietmateriaal voor hun project kiezen.

Een ervaren productiepartner als Fast Radius kan productteams helpen het materiaalselectieproces onder de knie te krijgen. Ons team van deskundige ontwerpers, ingenieurs, machinisten en technologen heeft tientallen jaren ervaring in het begeleiden van teams door het hele productontwikkelingsproces, dus we weten dat een uitzonderlijk onderdeel begint met de juiste materialen. Neem vandaag nog contact met ons op - we zijn er om u te helpen.

Bekijk de gerelateerde blogartikelen in het Fast Radius-hulpbronnencentrum voor meer tips over hoe u het meeste uit CNC-bewerking kunt halen.

Klaar om uw onderdelen te maken met Fast Radius?