Kevlar vs. Koolstofvezel: Belangrijkste Verschillen & Materiaalprestaties

Zowel Kevlar® als koolstofvezel hebben interessante historieën die materiaalverkenning en innovatie tonen. Bij Markforged houden we van het verkennen van materialen en hun combinaties en het ontgrendelen van nieuw potentieel en leiden de ontwikkeling van innovatie in de additieve productie-industrie. We zijn de leider in 3D-printen van continue vezelstrengen met ons gepatenteerde CFF (Continuous Filament Fabrication) proces, dat continue vezelstrengen neerlegt in een FFF Onyx onderdeel om plastic onderdelen effectief te versterken met metaalsterkte. Dit verhoogt een onderdeel's duurzaamheid en levensduur enorm, en optimaliseert het onderdeel's sterkteprofiel door vezels toe te voegen waar sterkte het meest nodig is.

Kevlar

Wat denkt u als u de naam Kevlar hoort? Meeste mensen denken aan Kogelvrije Vestjes. U denkt misschien niet aan DuPont™, maar dit materiaal werd in 1964 ontwikkeld door DuPont™ door de Poolse-Amerikaanse chemicus Stephanie Kwolek.

Wist u dat Kevlar een aantal verschillende toepassingen heeft over industrieën? U vindt het in alledaagse toepassingen zoals:

• Banden voor auto's en fietsen
• Platen voor gewichten
• Zeilen en touwen
• Handschoenen, sokken en bagage
• Werkschoenen
• Remblokken
• Beschermende uitrusting
• Dichtingsmiddelen

Kevlar is een synthetische vezel die in de aramide vezelgroep zit, wat hittebestendig is. Kevlar en Nomex maken deel uit van deze groep. Synthetische vezels zijn vezels gesynthetiseerd door chemische synthese, in tegenstelling tot natuurlijke vezels afgeleefd van levende organismen. Synthetische vezels worden gecreëerd door vezelvormend materiaal door spinnerets te extruderen, wat vezel vormt.

Kevlar heeft een hoog-modulus type dat primair gebruikt wordt in glasvezelkabels, textielverwerking, touwen, kabels, plastic versterking en composiettoepassingen voor luchtvaart, auto, defensie, energie, consumer, elektronica, medisch en zware industrie. Het Naval Facilities Engineering Command onderzocht Kevlar touw mogelijkheden voor gebruik met oceantechniek en constructie, wat resulteerde in innovatieve ontwerpen en toepassingen dankzij Kevlar's ongelooflijke trekkracht en opwaartse kracht. Kevlar vezel heeft een trekkracht vergelijkbaar met die van koolstofvezel, een modulus tussen die van glas en koolstofvezels en lagere dichtheid dan beide.

Kevlar aramide wordt gebruikt voor high-performance composiettoepassingen waar lichtgewicht, hoge sterkte en stijfheid, schadeweerstand, en weerstand tegen vermoeiding en stressscheuring belangrijk zijn. Markforged vindt dat het versterken van Onyx, Onyx FR en zelfs Nylon Wit met Kevlar ingenieurs en ontwerpers in staat stelt om extreem veelzijdige onderdelen te creëren. Kevlar kan significante veranderingen in lage-temperatuur omgevingen ondergaan, zo laag als -196°C (320°F) en geen verspringing of degradatie tonen, en omgevingen met elektronenstraling, aangezien elektronenstraling niet schadelijk is voor Kevlar. Echter, Kevlar is gevoelig voor UV (ultraviolet) licht.

Ontwerpers kunnen onderdelen ontwikkelen die veilig, sterk, stijf, lichtgewicht en tolerant zijn voor de omgeving, toepassing en belastingcondities door te printen met continue vezels. Door onderdelen te ontwerpen met het CFF (Continuous Filament Fabrication) proces kunnen ontwerpers Kevlar's trekkracht (rekken of trekken) benutten die meer dan acht keer groter is dan die van staaldraad.

Unieke eigenschappen van Kevlar vezels:

• Zeer lage rek
• Hoge trekkracht
• Zeer hoge kracht-gewichtsverhouding
• Uitstekende vermoeidingsweerstand
• Goede prestaties over groot temperatuurbereik
• Smelt niet; zal decomponeren bij 800°F - 900°F (427°C tot 482°C)
• Laag creep
• Geen krimp
• Goede chemische stabiliteit
• Hoogst slijtvaste
• Zwakke sterkte in transversale richting (zwak in druksterkte)
• Meest voorspelbare en vergevingsgezinde falenmodus van alle Markforged filaments

Impact Weerstand

Kevlar is 8x meer impact bestand dan ABS terwijl het 15-20% lichter is dan onze andere versterkingsvezels.

Buigsterkte

In drie-punt buiging is 3D geprint Kevlar 3x sterker dan ABS en 6x sterker dan nylon.

Buigstijfheid

3D geprint Kevlar is 12x stijver dan ABS en 30x stijver dan nylon.

Kevlar bezit uitstekende duurzaamheid, wat het optimaal maakt voor onderdelen die herhaalde en plotselinge belasting ervaren. Zo stijf als fiberglas en veel meer ductiel, kan het gebruikt worden voor een breed scala aan toepassingen afgestemd op additieve productie, zoals:

• Atletische schoeisel
• Robotica en kraamhulzen
• Eind-effectoren/greppers
• Smartphone hoesjes, persoonlijke elektronica
• Onderdelen ontworpen om aangedreven te worden door hydraulica of pneumatica
• Beschermende uitrusting, helmen; gevecht, motor
• Remhefbomen, klemmen, beugels
• Bevestigingen, tooling, workholding, zachte kauwen
• Tandwielen, sleutels, drones
• Sportartikelen & accessoires, karabijnhaken
• Eindgebruiksonderdelen, consumentenproducten, etc...

Dixon Valve greppers zijn geprint met Onyx en versterkt met Kevlar. Het materiaal moet sterk genoeg zijn om de klemkracht te transmisseren, duurzaam door herhaalde belastingcycli en non-marring aan de kleppen.

Composieten in 3D-printen benutten de druksterkte van de plastic matrix - de ondersteunende structuur die het grootste deel van het onderdeelvolume uitmaakt - en de trekkracht van ingesloten vezels. Deze twee materialen zijn wederzijds afhankelijk: zonder vezel is het plastic onderdeel slechts zo sterk als de adhesie binnen en tussen geëxtrudeerde plastic strengen. Zonder de matrix heeft de vezel geen structuur en zal dus zijn vorm niet behouden. De matrix creëert ruimte zodat de vezel een hefboomarm heeft om te stabiliseren tegen de belasting. Gecombineerd, synergëren ze om een composiet te vormen met grotere sterkte in zowel druk als trekking dan elk afzonderlijk kan bieden. Dit geldt voor al onze vezels; Kevlar, koolstofvezel, fiberglas en HSHT fiberglas.

Koolstofvezel

Koolstofvezel filament bestaat uit koolstofatomen georganiseerd in een kristallijne structuur. Vanwege de zeer hoge stijfheid en sterkte wordt het breed gebruikt in de luchtvaart- en auto-industrie. Het heeft een van de hoogste kracht-gewichtsverhoudingen in het bestaan - hoger dan zowel staal als titaan.

Kracht-gewichtsverhouding

Vergeleken met 6061 aluminium, heeft 3D geprint koolstofvezel een 50% hogere kracht-gewichtsverhouding in buiging en 300% hoger in trekking.

Buigsterkte

In een drie-punt buiging is ons 3D geprint koolstofvezel 8x sterker dan ABS en 20% sterker dan de yield van aluminium.

Buigstijfheid

3D geprint koolstofvezel filament is 25x stijver dan ABS en 2x stijver dan de rest van Markforged's versterkingsvezels.

Koolstofvezel materiaaleigenschappen:

• Markforged 3D geprint koolstofvezel is gelijk aan de yield sterkte van 6061 Aluminium
• Het faalt bij dezelfde spanning dat Aluminium begint te plastisch vervormen
• Koolstofvezel keert terug naar zijn oorspronkelijke vorm na belastingverwijdering terwijl Aluminium plastisch vervormt
• Hoge stijfheid en hoge kracht-gewichtsverhouding
• Elektrisch geleidend
• Corrosie- en hittebestendig
• Stijf tot breuk (falen is abrupt en niet voorspelbaar)
• Ideale belasting is constant - een bekende kracht constant ondersteunen

Koolstofvezel's ongelooflijke eigenschappen laten het toe als metaalvervanging in toepassingen waar gewichtsbesparing belangrijk is. Elke industrie heeft nu de mogelijkheid om CFF met koolstofvezel te benutten en ongelooflijk sterke onderdelen te printen. Generative Design biedt ook voordelen gecombineerd met Markforged CFF wat ontwerpers in staat stelt meerdere geoptimaliseerde oplossingen te verkennen en de beste ontwerpkeuze te maken vanuit zowel design als sterkteperspectief.

Koolstofvezel kan gebruikt worden voor een breed scala aan toepassingen; luchtvaart, auto, architectuur en bouw, consumentengoed, medisch, energie, defensie, elektronica, industriële machines, etc. afgestemd op additieve productie en er is geen einde aan deze lijst, dus hier zijn er een paar:

• Robotica en robotarmen
• Eind-effectoren, greppers en zachte kauwen
• Inspectie bevestigingen, las bevestigingen en CMM bevestigingen
• Vormtools
• Fietsen en hun componenten
• High-end motorsport toepassingen

Bekijk het Haddington Dynamics use case, een 3D geprint robotarm versterkt met continue koolstofvezel filament, stijf en lichtgenoeg voor de robotarm om precisie van 50 micron te hebben. Met een koolstofvezel 3D-printer kon het bedrijf het onderdelaal van 800 naar minder dan 70 reduceren.

Neem contact met ons op voor verdere hulp of advies over welke versterkingsvezel het meest geschikt is voor uw toepassing. Vraag vandaag nog een Kevlar of koolstofvezel monster aan.