Stapsgewijze gids voor het produceren van hoogpresterende koolstofvezelcomponenten

Composietmaterialen, zoals koolstofvezel-versterkte kunststoffen, zijn hoog veelzijdige en efficiënte materialen, die innovatie drijven in diverse markten van luchtvaart tot gezondheidszorg. Ze presteren beter dan traditionele materialen zoals staal, aluminium, hout of kunststof, en maken de fabricage van hoogpresterende lichtgewichtproducten mogelijk.

In deze gids leert u de basis van het fabriceren van koolstofvezeldelen, inclusief de verschillende koolstofvezel-leggen, laminatie- en vormgivingsmethoden, en hoe u 3D-printen kunt gebruiken om koolstofvezelsmolden te maken om kosten te verlagen en tijd te besparen. Direct 3D-geprinte composieten bestaan ook, zoals Formlabs Nylon 11 CF Powder, een koolstofvezel-gevuld materiaal perfect voor toepassingen die zowel superieure stijfheid als sterkte vereisen. Wanneer geprint op de Formlabs Fuse 1+ 30W-printer, produceert Nylon 11 CF Powder lichtgewicht, rigide delen die structureel en thermisch stabiel blijven en herhaalde impact kunnen weerstaan.

Nylon 11 CF Powder Monsterdeel

Zie en voel de kwaliteit van koolstofvezel-gevulde nylon uit eerste hand. We sturen u een gratis monsterdeel toe.

Vraag een Gratis Monsterdeel Aan

Een composietmateriaal is een combinatie van twee of meer bestanddelen met kenmerken die verschillen van die individuele componenten op zich. Engineering-eigenschappen zijn typisch verbeterd, zoals toegevoegde sterkte, efficiëntie of duurzaamheid. Composieten bestaan uit versterking - vezel of deeltje - samengehouden door een matrix (polymer, metaal of keramiek).

Vezel-versterkte polymeren (FRP) domineren de markt en hebben de groei van nieuwe toepassingen in diverse industrieën geforceerd. Onder hen is koolstofvezel een breed gebruikt composiet in het bijzonder voor vliegtuigen, racewagens en fietsen omdat het meer dan drie keer sterker en stijver is dan aluminium, maar 40% lichter. Het wordt gevormd door versterkte koolstofvezel verbonden met een epoxyhars.

Vezen kunnen directioneel uni-weven en strategisch uitgelijnd worden om sterkte te creëren ten opzichte van een vector. Kruisgeweven vezels kunnen gebruikt worden om sterkte in meerdere vectoren te creëren en ze zijn ook verantwoordelijk voor het kenmerkende gestepte uiterlijk van composietdelen. Het is gebruikelijk voor delen om geproduceerd te worden met een combinatie van beide. Er zijn meerdere typen vezels beschikbaar, inclusief:

Hars wordt gebruikt om deze vezels samen te houden en een rigide composiet te creëren. Hoewel honderden typen harsen ingezet kunnen worden, hier zijn de meest populaire:

Het fabriceren van vezel-versterkte polymeren, zoals koolstofvezeldelen is een vakkundig en arbeidsintensief proces gebruikt in zowel eenmalige als batchproductie. Cycluslooptijd varieert van één uur tot 150 uur afhankelijk van de grootte en complexiteit van het deel. Typisch in FRP-fabricatie worden de continue rechte vezels in de matrix gevoegd om individuele platen te vormen, die laag voor laag op het einddeel gelamineerd worden.

De composieteigenschappen worden geïnduceerd door de materialen evenzeer als het laminatieproces: de manier waarop de vezels geïncorporeerd worden beïnvloedt de prestaties van het deel sterk. De thermohardende harsen worden samen met de versterking in een tool of vorm gevormd, en gecured om een robuust product te vormen. Er zijn diverse laminatietechnieken beschikbaar, die onderscheiden kunnen worden in drie hoofdtypes:

Bij natte afleggen wordt de vezel gesneden en in de vorm gelegd, waarna hars via een kwast, roller of spuitpistool wordt aangebracht. Deze methode vereist de meeste vaardigheid om hoge-kwaliteitsdelen te creëren, maar is ook de minst dure workflow met de laagste eisen om te beginnen met DIY koolstofvezeldelen. Als u nieuw bent in koolstofvezelfabricatie en nog niet uitgerust, raden we aan te beginnen met natte afleggen handlaminatie.

Bekijk de video om te zien hoe het natte koolstofvezel-legproces werkt.

Bij prepreg-laminatie is de hars vooraf in de vezel geïmpregneerd. Pre-geïmpregneerde vellen worden koud opgeslagen om de curing te remmen. Platen worden vervolgens in de vorm onder hitte en druk in een autoclave gecured. Dit is een nauwkeurigere en herhaalbaardere proces omdat de hoeveelheid hars gecontroleerd is, maar het is ook de duurste techniek die meestal gebruikt wordt in hoogpresterende toepassingen.

Bij RTM-vormgeving wordt de droge vezel in een tweedelige vorm geplaatst. De vorm wordt dichtgeklapt voordat de hars onder hoge druk in de kaviteit geperst wordt. Het is meestal geautomatiseerd en gebruikt voor grotere volumeproductie.

Omdat de kwaliteit van de vorm direct de kwaliteit van het einddeel beïnvloedt, is toolmaking een kritiek aspect van FRP-productie. Meeste molden worden geproduceerd uit was, schuim, hout, kunststof of metaal via CNC-bewerking of handmatig. Terwijl handmatige technieken hoog arbeidsintensief zijn, volgt CNC-bewerking nog steeds een complexe, tijdrovende workflow — met name voor ingewikkelde geometrieën — en outsourcing komt typisch met hoge kosten en lange levertijd. Beide opties vereisen bekwame werknemers en bieden weinig flexibiliteit op ontwerpiteraties en vormaanpassingen.

Additieve fabricage biedt een oplossing voor het snel produceren van molden en patronen tegen lage kosten voor het maken van koolstofvezeldelen. Het gebruik van polymere tooling in productieprocessen groeit continu. Het vervangen van metalen tools door in-house geprintde kunststofdelen is een krachtig en kosteneffectief middel om productietijd te verkorten en ontwerpflexibiliteit uit te breiden. Ingenieurs werken al met polymere resin 3D-geprinte delen voor het maken van productiejigs en fixtures ter ondersteuning van methoden zoals filament winding of geautomatiseerde vezelplaatsing. Evenzo worden kortlopende geprintte molden en stempels ingezet in injectiegieten, thermovormen of bladmetaalvormgeving om low-volume batches te leveren.

In-house desktop 3D-printen vereist beperkte apparatuur en vermindert workflowcomplexiteit. Professionele desktop resin-printers zoals Form 4 zijn betaalbaar, gemakkelijk te implementeren en kunnen snel geschaald worden met de vraag. Het fabriceren van grote tools en molden is ook mogelijk met large-format 3D-printers zoals Form 4L.

Stereolithografie (SLA) 3D-printtechnologie creëert delen met een erg gladde oppervlakteafwerking, wat essentieel is voor koolstofvezel-legmolden. Het stelt complexe geometrieën met hoge precisie toe. Bovendien heeft de Formlabs Resinbibliotheek engineering-materialen met mechanische en thermische eigenschappen die goed passen bij vorm- en patroonfabricatie.

3D-geprinte molden voor het fabriceren van koolstofvezeldelen kunnen kosten verlagen en levertijden verkorten.

Mould Architectuur en Ontwerprichtlijnen

Bij het ontwerpen van uw vorm, overweeg wat succesvol zal printen, evenals wat succesvol zal vormgeven. Verschillende vormarchitecturen worden gebruikt om verschillende typen geometrie te creëren:

• Eén-delige vorm in vacuum bagging: Gebruikt voor delen die één class A-zijde nodig hebben, wat een glanzende afwerking betekent. Het kan positief of negatief zijn, afhankelijk van welke zijde class A moet zijn. Eén zijde is het vormoppervlak, de andere zijde is het vacuum bag-oppervlak.
• Tweedelige vorm in compressievormgeving: Gebruikt voor delen waar beide zijden van het deel class A moeten zijn. Beide zijden zijn vormoppervlakken.
• Blaasvorm in drukvormgeving: Gebruikt voor complexe geometrie waar een vacuum bag of compressievorm niet ingezet kan worden door de onmogelijkheid van het deel te demoulden. Eén zijde is het vormoppervlak, terwijl de andere zijde het blaasoppervlak is.
• Vormpatroon om een negatieve vorm te creëren: Gebruikt wanneer meerdere molden gewenst zijn om productie te verhogen. Meerdere molden kunnen van een enkel patroon gemaakt worden.

Voeg uittrekkingshoek toe: Twee tot drie graden positieve uittrekkingshoek zal de demoulding-stap vergemakkelijken en de levensduur van de vorm verlengen, in het bijzonder voor stijve molden. Echter, het gebruik van een buigzaam 3D-printmateriaal zoals Tough 1500 Resin kan u toestaan om delen zonder uittrekkingshoek te maken en uitdagende geometrieën op te nemen die niet gedemould kunnen worden van een stijve vorm. Stel een minimumstraal in passend voor uw materiaaldikte: dit helpt de vezels zich op hoeken uit te lijnen terwijl luchtinclusie vermeden wordt, en herhaalbare kwaliteitsdelen te creëren. Vermijd steile en dichtbijzijnde hoeken, want vloeiende geometrieën zijn makkelijker te verwerken dan blokkige, scherpe.

Stel een minimumstraal in passend voor uw materiaaldikte: Dit helpt de vezels zich op hoeken uit te lijnen terwijl luchtinclusie vermeden wordt, en herhaalbare kwaliteitsdelen te creëren. Vermijd steile en dichtbijzijnde hoeken, want vloeiende geometrieën zijn makkelijker te verwerken dan blokkige, scherpe.

Voeg locatiepennen en inkeping toe voor molden die nauwkeurige uitlijning vereisen. Een van de grote voordelen van 3D-printen is dat het complexiteit in uitlijningsgeometrie toestaat en helpt bij het fabriceren van ontwerpen gevoelig voor positionering.

Voeg oppervlakte-overloop toe: overmaat materiaal van het uitgebreide oppervlak zal afgeknipt worden om een nauwkeurige trimlijn te trekken. 3D-printen stelt u in staat om overloop te printen zonder flashing te hoeven fabriceren.

Voeg trimlijnen toe: 3D-printen stelt u in staat om nauwkeurige afwerkingsfeatures te incorporeren zoals boorgidsen, scribe-lijnen voor handmatig trimmen of router-gidsrails.

Andere best practices:

• Print met de kleinst mogelijke laaghogte om de resolutie en demoulding-stap te optimaliseren.
• Vermijd supports op vormoppervlakken voor betere oppervlakteafwerking.
• Gebruik een losmiddel: dit is vereist om het demouldingsproces te mogelijk maken.
• Om luchtinclusie te voorkomen: na roeren en mengen, wacht twee minuten om de lucht uit de hars te laten zakken. Herhaal na het aanbrengen van de eerste laag hars. Als kleine luchtbellen blijven, kan het uitgepoetst en afgedicht worden in post-processing.

De Formula Student is een jaarlijkse engineering-ontwerpwedstrijd waarin studententeams uit de hele wereld formule-stijl wagens bouwen en racen. Het Formula Student Team TU Berlin (FaSTTUBe) is een van de grootste groepen; 80 tot 90 studenten ontwikkelen elk jaar nieuwe racewagens sinds 2005.

Het Formula Student-team aan de TU Berlin (FaSTTUBe) bouwt drie voertuigen voor de jaarlijkse Formula Student-wedstrijd.

Met toegang tot bijna de volledige reeks fabricagetechnologieën, gebruikt het FaSTTUBe-team 3D-printen voor drie doeleinden:

1. Prototypes: ze printen prototypes voor diverse onderdelen, zoals bevestigingen van de anti-roll-bar of stakeholders van de HV-batterij.
2. 3D-geprinte koolstofvezelsmolden: het team printte een dozijn molden om koolstofvezeldelen te fabriceren die anders niet gemaakt hadden kunnen worden.
3. Eindgebruiksdelen: ongeveer 30 delen op de finale voertuigen zijn direct 3D-geprint: van knophouders, schakelaars van het stuur, tot slangen en sensorconnectors van de koelsystemen.

In deze case study kijken we in detail naar de vormtoepassing die ze gebruikten om de stuurbehuizing en grepen in koolstofvezel te fabriceren.

Gewichtsreductie is essentieel in de constructie van racewagens. In een poging om de delen lichter te maken, hadden ze holle stuurgrepen kunnen printen, maar dat zou niet sterk genoeg zijn om de grijp van de bestuurder te dragen. Koolstofvezel is een geweldig materiaal om gewicht te verlagen terwijl sterkte behouden of verhoogd wordt. Om het deel in koolstofvezel te kunnen fabriceren dit jaar, ontwikkelde Felix Hilken, Hoofd Aerodynamica en Koolstofproductie, een workflow met 3D-geprinte molden voor natte afleggen laminatie.

Benodigde Apparatuur:

• Formlabs SLA 3D-printer met Tough 1500 Resin
• Koolstofvezel: drie lagen van 200g, 3K, 0,3mm, twill weefpatroon
• Vormlosmiddel: was en polyvinylalcohol
• Hoge-sterkte epoxyhars
• Kwast en schaar
• Vacuum bag, vacuümpomp en demperdoek
• Schuurpapier

De greep werd in twee helften geproduceerd om het deel te kunnen demoulden. Voor elke helft van de greep ontwierp Felix een tweedelige vorm met features die zonder 3D-printen moeilijk te fabriceren zouden zijn, in het bijzonder:

• Fijne features zoals strakke interne radialen, zweepende oppervlakken of variërende radialen oppervlakken
• Ronde strakke randen die niet gedemould konden worden van een aluminiumvorm
• Inkepingen voor boorlocatie omdat het deel gevoelig is voor positionering

Het team printte de molden op de Form Series-printer met Tough 1500 Resin op 50 micron laaghogte. De prints werden gewassen voor twee periodes van 10 minuten in IPA en post-gecured voor 60 minuten bij 70 °C. Tough 1500 Resin werd gekozen omdat het utrekking en modulus balanseert: delen geprint in dit materiaal kunnen significant buigen en snel terugkeren naar hun oorspronkelijke vorm. Dit is een gewenste mechanische eigenschap om vormbreuk tijdens demoulding te voorkomen.

Breng losmiddel aan om het demouldingsproces te vergemakkelijken. Dit is een cruciale eerste stap: als sommige oppervlakken niet bedekt zijn, zal het deel niet scheiden van de vorm.

1. Bedek met was (optioneel maar aanbevolen)
2. Bedek met polyvinylalcohol (PVA)

Meng de hars met de hardener. Het mengverhouding moet precies gevolgd worden. Als het afwijkt met zelfs een paar procent van de doelverhouding, zal het deel of te zacht zijn of slechts deels gecured. Volg de instructies van de harsfabrikant nauwkeurig en lees het veiligheidsblad voordat u begint. Met de hars die Felix gebruikte, start het polymerisatieproces twee uur na het mengen van de hars, wat twee uur laat voor de aflegoperatie.

Breng hars aan met een kwast op de positieve zijde van de vorm.

Leg een koolstofvezelplaat op de positieve zijde van de vorm. Zorg ervoor dat u alle contouren volgt. Het team gebruikte een 3K-vezel om weefdikte en prijs te balanceren. Het is specifiek ontworpen om complexe contouren te volgen en heeft geen ondersteunende draden in zich.

Breng hars aan op de koolstofvezelplaat en herhaal het aflegproces. De hars bindt de lagen samen, vormt de matrixcomponent in het deel en voorkomt dat de vezel zich heruitlijnt. Felix gebruikte drie koolstofvezelplaten.

Breng een finale laag hars aan op het negatieve deel van de vorm en druk beide helften van de vorm samen om te voorkomen dat luchtbellen vormen en door de vezels permeeren.

Knipt het overmaatmateriaal af met een schaar.

Cure 48 uur in een vacuum bag. Tijdens dit polymerisatieproces trekt de vacuum bag de lucht uit en drukt de platen tegen de vorm, bij omgevingstemperatuur, om overmaat hars kwijt te raken. Het zorgt voor een gewenste volumetrische hars-naar-vezelverhouding, om de juiste deelstijfheid te matchen.

Afwerking: schuur alle randen af. Om de vorm na het proces te reinigen, doopte Felix het in water voor ongeveer 30 minuten om de PVA op te lossen en gebruikte vervolgens fijn 1500 grit schuurpapier om de overgebleven hars te verwijderen.

Door koolstofvezel te gebruiken, verlaagde het team het gewicht van de stuurbehuizing van 120g naar 21g, en ze konden het ontwerp duwen naar geometrieën die extreem moeilijk traditioneel te fabriceren zouden zijn. "Het geweldige aan 3D-printen is dat een complexe vorm even makkelijk te fabriceren is als een simpele, het vereist hetzelfde hoeveelheid werk en apparatuur," zegt Felix.

Zonder 3D-printen had het team de CNC-vrezen van een aluminiumvorm moeten outsourcen, wat duur is, een lange levertijd heeft en gespecialiseerde tools vereist. "Ik zou de vorm CNC-vreezen, ik zou gespecialiseerde tools nodig hebben, en wachten op een slot op de machine. Maar ik kon deze geometrie niet eens maken. In het bijzonder sommige van de kleine hoeken. Ik zou een ontwerp zonder schroeven moeten gebruiken, zodat het deel niet gevoelig zou zijn voor positionering."

Volgens zijn schatting kan één vorm geprint met Formlabs Tough 1500 Resin gebruikt worden om ongeveer tien delen te fabriceren. Aangezien dit een handmatig proces is, hangt het af van hoe nauwkeurig de operator is: de vorm kan breken tijdens het scheidingsproces. Echter, meerdere 3D-geprinte molden kunnen gebruikt worden om de productie te verhogen. Een andere oplossing om de levensduur van de vorm te verlengen zou zijn om het te ondersteunen met een generieke metalen vorm. Een 3D-geprint insert draagt de geometrie terwijl een backup-metalenvorm helpt de vorm te behouden. Dit kan gefabriceerd worden met een eenvoudige handmatige freesmachine.

DeltaWing Manufacturing creëert composietdelen voor het bedrijf Panoz, een ontwerper en fabrikant van exclusieve, Amerikaanse luxe sportwagens. Om koolstofvezelcomponenten te fabriceren, had DeltaWing Manufacturing vroeger een patroon gefreesd, een vorm op gelegd of gegoten, en de vorm afgewerkt voordat het prepreg-proces toegepast werd om het koolstofvezeldel te lamineren.

In de afgelopen jaren begonnen ze in-house 3D-geprinte delen als een tussentap in dit proces te gebruiken. Panoz had zes eenheden van een koolstofvezel fender luchtkanaal nodig voor een custom racewagen. Om arbeid en levertijd van hun traditionele vormmaaktechniek te reduceren, kozen de ingenieurs van DeltaWing Manufacturing ervoor om de vorm direct te 3D-printen en in hun prepreg-proces te implementeren.

Benodigde Apparatuur:

• Formlabs SLA 3D-printer met High Temp Resin
• Koolstofvezel: 4K, bidimensionaal patroon
• Vormlosmiddel: polyvinylalcohol
• Kapton (polyimide) tape
• Hoge-sterkte epoxyhars
• Kwast en schaar
• Vacuum bag, vacuümpomp

Het kanaal werd in twee afzonderlijke stukken op twee verschillende molden gefabriceerd om de scheiding van het einddeel van de vorm te vergemakkelijken, en vervolgens gebonden. Elke vorm werd ook in twee stukken geprint en samen gemonteerd zodat het in het buildvolume van de Form Series-printer paste — dit zou niet nodig zijn met het grotere buildvolume van de Form 4L-printer. De delen werden ontworpen voor additieve fabricage, volgens vormontwerpaanbevelingen.

DeltaWing printte de molden in High Temp Resin op een Form Series-printer op 100 micron laaghogte. Deze resin werd geselecteerd omdat het een heat deflection temperature (HDT) heeft van 238 °C @ 0,45 MPa, de hoogste onder Formlabs resin en een van de hoogste onder resins op de markt.

High Temp Resin kan hoge curingtemperaturen weerstaan, toont een goede stijfheid om vorm te behouden tijdens de operatie en een geweldig detailniveau dat vertaald wordt in het einddeel. Formlabs adviseert High Temp Resin-prints te wassen met IPA voor 10 minuten, post-cure bij 80 °C voor 120 minuten, en vervolgens de delen 3 uur te verwarmen bij 160 °C voor een hogere HDT.

DeltaWing Manufacturing paste hun gebruikelijke prepreg-proces toe op de geprintte molden, gebruikmakend van een prepreg 4K bidimensionaal patroon vezel. Elke vorm werd bedekt met Kapton-tape om het oppervlak bij elke vormiteratie te vernieuwen. De vezel werd op de molden gelegd, en vervolgens werden de delen in een vacuum bag gezet en in een autoclave gecured voor demoulding en trimmen. De geprintte molden verdraagden een trage cure bij 38 °C (100 °F) voor 10 uur, of alternatief een snelle cure bij 126 °C (260 °F) voor één uur zonder schade. Beide helften van het koolstofkanaal werden in een laatste stap gebonden.

Het team testte zes iteraties voor één vorm zonder significante degradatie waarnemen. We schatten dat ongeveer 10-15 iteraties mogelijk zijn voor één vorm. Omdat autoclaves gebruikt worden om hitte en druk toe te passen tijdens curing in het prepreg-proces, kan de geprintte vorm maar een paar iteraties weerstaan. Daarom is deze methode niet aanbevolen voor hoog-volumeproductie, maar het is een geweldige manier om korte-looptijd batches en mass-customized delen te produceren. Dit maakt een breed scala aan toepassingen mogelijk zoals hoogpresterende sportuitrusting, gecustomiseerde tooling voor luchtvaart of gepersonaliseerde prothesen die uniek zijn voor patiënten in de gezondheidszorg.

Er is sterke vraag naar workflows die de sterkte, duurzaamheid en robuustheid van traditionele koolstofvezeldelen combineren met de wendbaarheid, geometrische mogelijkheden en herhaalbaarheid van 3D-printen. Het is daarom niet verrassend dat er veel 3D-printbedrijven zijn die koolstofvezel-3D-printen aanbieden, met de twee momenteel beschikbare processen het printen met gehakte vezels of continue vezels.

Door gehakte koolstofvezels te gebruiken, stelt Nylon 11 CF Powder voor de Fuse 1+ 30W selective laser sintering (SLS) industriële 3D-printer fabrikanten in staat om sterke, lichtgewicht en hittebestendige delen te creëren, zonder te vertrouwen op traditionele leg- of bewerkingsmethoden.

Formlabs Nylon 11 CF Powder is sterk, lichtgewicht en hittebestendig, wat het ideaal maakt voor auto-, luchtvaart- en productietoepassingen.

Vezel-versterkte polymere fabricatie is een opwindend, maar ingewikkeld en arbeidsintensief proces. Het gebruik van 3D-geprinte molden en patronen om koolstofvezeldelen te maken stelt bedrijven in staat om workflowcomplexiteit te reduceren, flexibiliteit en ontwerpmogelijkheden uit te breiden, en kosten en levertijd te verlagen.

Voor direct 3D-geprinte delen die veel van de voordelen van koolstofvezel bieden, met de additionele voordelen van geometrische flexibiliteit en een simpeler en efficiënter proces, zijn er materialen zoals Formlabs Nylon 11 CF Powder voor de Fuse Series SLS 3D-printers.

Neem contact op met ons team om uw toepassing te bespreken en de beste aanpak te bepalen voor het gebruik van 3D-printen voor koolstofvezeldelen.