Koolstofvezel uitgelegd:eigenschappen, toepassingen en 3D-printtoepassingen

Koolstofvezel, ook wel grafietvezel of koolstofgrafiet genoemd, is in verschillende sectoren een grote favoriet geworden, en met goede reden. Maar we zullen het niet allemaal verklappen in de intro:lees verder om erachter te komen wat dit materiaal is, wat de verschillende soorten zijn en waarvoor het wordt gebruikt.

Wat is koolstofvezel?

Koolstofvezel is een stoffen mat gemaakt van geweven vezels en wordt geclassificeerd als zowel een composiet als een vezelversterkte kunststof. Het bestaat voor 90% uit polyacrylonitril (de koolstofvoorloper) en voor 10% uit andere voorlopers, zoals pek of cellulose. Dit materiaal wordt gemaakt door carbonisatie, oxidatie of grafitisering. Het wordt eerst in de gewenste vorm gesneden, geïmpregneerd met hars en vervolgens verwerkt volgens een van de bovengenoemde methoden. Na uitharding is het resultaat een lichtgewicht en ongelooflijk sterk materiaal met een indrukwekkende sterkte-gewichtsverhouding. 

De hoge hittetolerantie van dit type vezel inspireerde Sir Joseph Wilson Swan om het in 1860 te gebruiken voor een gloeilamp. Destijds waren koolstofvezelfilamenten nog niet zo sterk als nu, dus toen wolfraam op het toneel verscheen, nam het vrijwel de overhand op de afdeling gloeilampenproductie. Meer dan 50 jaar gingen voorbij zonder dat koolstofvezel echt ergens voor werd gebruikt, maar in de jaren zestig werd er een sterkere versie uitgebracht, en Rolls-Royce kocht deze voor zijn straalmotoren, ondanks de broosheid.

De koolstofvezel die tegenwoordig in de productie wordt gebruikt, heeft een treksterkte van ongeveer 4.000 MPa en een hoge modulus van 400 GPa, waardoor hij voor een hele reeks dingen bruikbaar is (niet alleen voor lampen). Het is bestand tegen kruip, vermoeidheid, chemicaliën en corrosie, maar ook niet-ontvlambaar en niet-giftig. Met de juiste behandeling kan het elektrisch geleidend worden.

Dit materiaal is berucht duur. Het is zowel lichter als sterker dan staal, maar de hoge kosten weerhouden fabrikanten ervan het te gebruiken, tenzij het absoluut noodzakelijk is (een beetje zoals die dure geur die je bewaart voor speciale gelegenheden). Maar nu is de prijs van koolstofvezel gedaald en het gebruik ervan gestegen! De dagen van wachten op spraakmakende taken van koolstofvezel zijn voorbij; Er worden nu gereedschappen en bevestigingen van gemaakt, veren en draden, en het kan zelfs worden gebruikt om banden te versterken.

Wat is de andere term voor koolstofvezel?

Koolstofvezel kan ook grafietvezel of koolstofgrafiet worden genoemd. Het kan worden aangeduid onder de overkoepelende termen composiet of vezelversterkte kunststof. De term composiet wordt gebruikt om een ​​materiaal te beschrijven dat een matrix en versterking heeft. In het geval van koolstofvezel is de vezel de versterking en de hars de matrix. Vezelversterkte kunststof wordt gebruikt om glasvezel- en aramidecomposieten en koolstofvezels te beschrijven. 

Wanneer werd koolstofvezel uitgevonden?

Koolstofvezels werden voor het eerst gemaakt in 1860 door Sir Joseph Wilson Swan voor gebruik in een gloeilamp, omdat deze vezels een zeer hoge hittetolerantie hadden. Koolstofvezelfilamenten waren destijds echter niet erg sterk. Dus toen wolfraam in gloeilampen werd gebruikt, had koolstofvezel al meer dan 50 jaar geen nut meer. Vervolgens konden Rolls-Royce in de jaren zestig sterkere koolstofvezels produceren voor gebruik in straalmotoren. Vanwege de brosse eigenschappen van koolstofvezel was het gebruik ervan echter lange tijd beperkt. Sindsdien is de productie van koolstofvezels veel effectiever geworden. Koolstofvezel heeft tegenwoordig een treksterkte in het bereik van 4.000 MPa en een modulus van 400 GPa, wat veel meer toepassingen voor het gebruik ervan heeft geopend.

Waar is koolstofvezel van gemaakt?

De oxidatie, carbonisatie en grafitisering van de koolstofvoorloper polyacrylonitril vormen 90% van het koolstofvezelmateriaal. De overige 10% van de gebruikte precursoren zijn afkomstig van pek of cellulose. 

Wat zijn de eigenschappen van koolstofvezel? 

De niet-mechanische eigenschappen van koolstofvezel zijn:

1. Elektrisch geleidend
2. Corrosiebestendig
3. Onontvlambaar 
4. Niet giftig 

Wat zijn de mechanische eigenschappen van koolstofvezel?

De mechanische eigenschappen van koolstofvezel omvatten:

1. Lichtgewicht
2. Hoge sterkte
3. Kruipbestendig
4. Vermoeidheidsbestendig
5. Hoge modulus 
6. Broosheid

Het aantal keren dat een vezel over en onder andere vezels gaat, staat bekend als de krimp, en hoe hoger de krimp, hoe hoger de stabiliteit. Maar koolstofvezel met een hoge krimpkracht betekent dat het materiaal niet erg flexibel zal zijn (ook wel drapeerbaarheid genoemd) om ingewikkelde vormen of geometrieën te vormen.

Hoe sterk is koolstofvezel?

Koolstofvezel is onderverdeeld in:standaard, gemiddelde, hoge en ultrahoge moduluskwaliteit en varieert van 3,55 GPa treksterkte.

Is koolstofvezel zwaar?

Nee, koolstofvezel is niet zwaar. Koolstofvezel is zeer licht van gewicht, wat een van de twee meest gewenste eigenschappen is, terwijl de andere sterkte is. Het gewicht van koolstofvezel zal afhangen van het aantal vezels per cm2 en de hars die wordt gebruikt om het te binden. Een plat keperweefsel van koolstofvezel zonder hars weegt bijvoorbeeld 210 g/m2, met een dikte van slechts 0,28 mm. Ter vergelijking:staal heeft een gewicht van 4 kg/m2 bij een dikte van 0,5 mm.

Wat zijn de chemische eigenschappen van koolstofvezel?

De chemische eigenschappen van koolstofvezel zijn: 

1. Chemisch bestendig
2. Niet giftig 
3. Onontvlambaar 

Wat zijn de verschillende geavanceerde toepassingen van koolstofvezel?

Vanwege het hoge prijskaartje wordt koolstofvezel momenteel alleen gebruikt in hoogwaardige toepassingen, waarvan we er hieronder een paar noemen.

1. Lucht- en ruimtevaartindustrie

Het lage gewicht maakt koolstofvezel geschikt voor vliegtuigrompen, staartvlakken, neuskegels en rotorbladen. Wanneer deze onderdelen van dit materiaal zijn gemaakt, kan het gewicht van het vliegtuig met wel 20% worden verminderd, iets dat miljoenen dollars aan brandstof bespaart. 

2. Sportartikelen

Het wordt gebruikt om lichtere, sterkere en sneller bewegende tennisrackets, ski's, snowboards, fietsen en golfclubs te maken. Wees gewoon bereid veel meer te betalen voor sportuitrusting van koolstofvezel.

3. Medische apparaten

Röntgenapparaten en implantaten zijn gemaakt van koolstofvezel, voornamelijk omdat het radiolucent is (röntgenstralen kunnen er gemakkelijk doorheen gaan). Het is ook slijtvast en heeft een vergelijkbare stijfheid als menselijk bot. In tegenstelling tot het metaal dat in sommige implantaten wordt gebruikt, is koolstofvezel bros en kan breken.

4. Energieopslagsysteem

Er zijn plannen voor koolstofvezelbatterijopslagsystemen in de maak, die het gewicht van elektrische auto's aanzienlijk zouden kunnen verminderen.

5. Civiele Techniek

Koolstofvezel wordt steeds populairder in bruggen en betonconstructies waar sterkte belangrijker is dan gewicht. Omdat het tot tien keer sterker kan zijn dan staal, heeft dit de voorkeur, maar zoals we hebben vastgesteld is het veel duurder in gebruik.

6. Maritieme technologie

Nu de prijs van koolstofvezel daalt, begint het het gebruik van glasvezel in jachten en kleine boten te vervangen. 

7. Militaire en defensietechnologie

Drones, helikopters, jets en transportvliegtuigen kunnen allemaal met dit materiaal worden gemaakt. Het ontwerp van helmen is door de jaren heen veel complexer geworden, iets wat ze ook zwaarder maakt. Koolstofvezel kan de oplossing bieden (maar er is nog steeds het probleem van de problemen bij het detecteren van schade).

Eén nadeel is echter iets dat nauwelijks zichtbare impactschade wordt genoemd. Kortom, het is moeilijk om met het blote oog schade aan dit materiaal te zien, dus het controleren op fouten vereist uitgebreide training en testen. Deze factor is van invloed op de meeste van de bovengenoemde industrieën, maar vooral op de lucht- en ruimtevaart-, energie-, maritieme en militaire sector.

Hoe kan koolstofvezel worden gebruikt in combinatie met 3D-printen?

Koolstofvezel is compatibel met 3D-printen. Het kan worden gebruikt als een doorlopende vezellaag of worden afgedrukt als korte strengen in het filament van een FDM-printer (Fused Deposition Modeling). Als je met een continue vezel wilt printen, heeft de printer twee printkoppen nodig:één voor het plastic filament en één voor de koolstofvezel. Als u ervoor kiest om gehakte strengen in het filament in te bedden, kunt u de sterkte en stijfheid van geprinte onderdelen verbeteren zonder failliet te gaan. Door dit materiaal bij 3D-printen te gebruiken, kun je onderdelen maken die voor structurele doeleinden kunnen worden gebruikt, omdat ze veel sterker zijn dan de typische PLA en ABS die bij 3D-printen worden gebruikt. Met koolstofvezel kunnen onderdelen qua sterkte worden vergeleken met materialen als aluminium.

De lucht- en ruimtevaartindustrie maakt tot op zekere hoogte gebruik van 3D-geprinte koolstofvezelonderdelen. Vanwege veiligheidsvoorschriften moet elke nieuwe technologie of materialen uitgebreid worden getest en gekwalificeerd voordat ze in de lucht- en ruimtevaart worden gebruikt, maar voorlopig is het niet ongebruikelijk om onderdelen voor beugels en speciaal gereedschap te vinden die zijn gemaakt van 3D-geprinte koolstofvezel. Bedrijven hebben ook niet te maken met enorme doorlooptijden.

Veelgestelde vragen over koolstofvezel

Hoe gebruikt 3D-printen in de lucht- en ruimtevaartindustrie koolstofvezel om verschillende onderdelen te maken?

Momenteel is 3D-printen met koolstofvezel in de lucht- en ruimtevaartindustrie beperkt. Het gebruik van nieuwe materialen en processen vereist een uitgebreide kwalificatie voordat deze in de lucht- en ruimtevaart kan worden gebruikt. Veel luchtvaartbedrijven gebruiken echter 3D-geprinte koolstofvezelonderdelen voor beugels en gespecialiseerd gereedschap. 3D-printen wordt gebruikt om beperkte productieonderdelen te maken die anders lange doorlooptijden zouden hebben. Veel reparatie- en onderhoudstaken vereisen gespecialiseerd gereedschap, wat hoge kosten en lange doorlooptijden met zich meebrengt. Met 3D-geprinte koolstofvezel worden de doorlooptijden en kosten nu verkort.

Raadpleeg onze volledige gids over 3D-printen in de lucht- en ruimtevaart voor meer informatie.

Wat is het voordeel van koolstofvezel vergeleken met andere 3D-geprinte materialen?

Het voordeel van met koolstofvezel geprinte onderdelen is de grotere sterkte in vergelijking met andere 3D-geprinte materialen. De meeste 3D-geprinte onderdelen zijn gemaakt van PLA of ABS, die relatief zwak zijn, wat betekent dat de onderdelen niet voor structurele doeleinden kunnen worden gebruikt. Bij 3D-geprinte koolstofvezelmaterialen is de sterkte echter vergelijkbaar met die van aluminium. Dit opent veel toepassingen voor het gebruik van 3D-geprinte onderdelen.

Is koolstofvezel sterker dan staal?

Ja, koolstofvezel is sterker dan staal als je de respectievelijke sterkte-gewichtsverhoudingen vergelijkt. Hoewel zowel staal als koolstofvezel een elasticiteitsmodulus van 200 GPa hebben, is staal vijf keer zwaarder dan koolstofvezel. Deze hoge sterkte-gewichtsverhouding is de reden waarom koolstofvezel in veel toepassingen de voorkeur kan hebben.

Is koolstofvezel sterker dan aluminium?

Ja, koolstofvezel is veel sterker dan aluminium. Aluminium kan tot 570 MPa bereiken, terwijl koolstofvezel met ultrahoge modulus een treksterkte van meer dan 5,5 GPa kan bereiken.

Wat is het verschil tussen koolstofvezel en 3D-filament van koolstofvezel?

Zowel traditionele koolstofvezel als 3D-geprinte koolstofvezel voegen kracht toe en zijn licht van gewicht, maar de wijze van aanbrengen is heel anders. Traditioneel is koolstofvezel een geweven mat van vezels waarop een hars is aangebracht en vervolgens is uitgehard. Traditionele koolstofvezel wordt meestal verwerkt tot grotere panelen en buisvormige delen, maar er kunnen ook beugels van worden gemaakt. 3D-geprinte koolstofvezel wordt in microstrengen gehakt en toegevoegd aan een filament van waaruit het wordt geprint tot een onderdeel dat meestal een complexe geometrie heeft, of wordt geprint als een enkele doorlopende streng in discrete lagen van een 3D-geprint onderdeel.

Kat de Naoum

Kat de Naoum is een schrijver, auteur, redacteur en contentspecialist uit Groot-Brittannië met meer dan 20 jaar schrijfervaring. Kat heeft ervaring met schrijven voor verschillende productie- en technische organisaties en houdt van de wereld van engineering. Naast schrijven was Kat bijna tien jaar juridisch medewerker, waarvan zeven jaar in de scheepsfinanciering. Ze heeft voor veel publicaties geschreven, zowel print als online. Kat heeft een BA in Engelse literatuur en filosofie, en een MA in creatief schrijven aan de Kingston University.

Lees meer artikelen van Kat de Naoum