Hoe 3D-printen de composietproductie revolutioneert

Volgens 3D Science Valley's Market Watch hebben composietmaterialen een vaste plaats in diverse toepassingen. Ze bieden bewezen materialen en methoden voor de productie van waardevolle componenten, met name grote vliegtuigonderdelen. De toepassing van composieten schreidt voort, en vandaag versnelt 3D-printen deze voortgang. De ontwikkeling van additieve productietechnologie biedt een manier om onderdelen van composietmaterialen te maken zonder maten, en tegelijkertijd biedt additieve productie nieuwe opties voor de productiemethoden van de composietenindustrie.

Meer flexibele composietproductie

De ontwikkelingstrend van 3D-printen - additieve productie gaat in de richting van een multidimensionale verdieping, gericht op massaproductietoepassingen en uitgestrekt naar de toepassingskant. Een industrialiseringspad is de combinatie van nieuwe materialen en nieuwe productieprocessen.

Onder composiet wordt doorgaans een thermoharder of thermoplastisch polymermatrixmateriaal verstijfd met continue of discontinue vezels verstaan, meestal koolstofvezel, glasvezel of natuurlijke vezels zoals jute, vlas, aramide of basaltvezel.

In de vliegtuigindustrie bestonden vliegtuigen in 1970 nog uit nul composieten; vandaag is de Boeing Dreamliner voor 80% samengesteld uit composieten. In de auto-industrie kon GE in de jaren '80 veel spanningsvrije staalonderdelen zoals bumpers en luchtfilterbehuizingen vervangen door kunststofonderdelen. Additief geproduceerde koolstofvezel-composietonderdelen kunnen op dezelfde manier veel bestaande onderdelen vervangen.

Relatief tot de vliegtuigindustrie ligt de vroegste kans voor koolstofvezel-composiet 3D-printen in de auto-sector bij onderdelen zoals spoilers, stuurwielen of deurhandvatten, en beweegt geleidelijk naar het vervangen van grote structurele componenten.

Voor het publiek is de meest waardevolle eindmarkt voor composieten vandaag de luchtvaart. Composieten worden gebruikt in diverse onderdelen en structuren, waaronder rompvellen, stringers en frames; vleugelstructuren, inclusief vleugelvellen, sparven en stringers; en staartstructuren; en meer discrete componenten, zoals rondom ramen, interieuronderdelen, inclusief bagageopslagcompartimenten en interieurschotten. Binnenwanden van vliegtuigen zijn vaak ook van composietmateriaal.

Andere eindmarkten naar materiaalvolume omvatten de windenergiesector, zoals windmolenbladen van composietmateriaal.

Voor composietproductie is de rol van additieve productie om onderdelen efficiënter en sneller te maken, wat niet mogelijk is met bestaande composietproductie bij discrete onderdelen of kleinseries. Additieve productie maakt dit mogelijk, en door het gebruik van continue vezels in de additive worden elementen van sterkte en stijfheid geïntroduceerd, wat de toepassing van het onderdeel naar een hoger niveau tilt.

5 technieken voor 3D-printen van composieten

1. In-situ imprégnation: De droge vezels worden in een monding gevoerd terwijl het matrixmateriaal door een of meer inlaatmiddelen tijdens de depositie door co-extrusie wordt geïnjecteerd. De matrix wordt geïntroduceerd en verwarmd, en de vezels worden in-situ geïmpregneerd voordat ze worden gedeponeerd.

2. Co-extrusie met towering: in plaats van droge vezels wordt prepreg/dun prepreg-tape in een monding gevoerd, verwarmd en co-extruderen met andere matrixmaterialen. Doorgaans is de matrix in beide hetzelfde als in de co-extrusie. Anisoprint is een uitzondering, waarbij de prepreg-matrix thermoharder is terwijl de co-extrusie thermoplastisch is.

3. Towpreg-extrusie: De invoer van tow-voorraad wordt verwarmd en geëxtrudeerd zonder ander materiaal.

4. In-situ consolidatie: Dit proces lijkt op een verkleinde versie van geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP) voor thermoplasten, waarbij de binnenkomende thermoplastische tow/prepreg-tape in-situ wordt uitgehard tijdens de depositie. Tijdens de voeding wordt het grondstof verwarmd door een externe energiebron aan de monding, en vervolgens geplaatst en uitgehard door drukrollen tijdens het depositieproces.

5. Inline imprégnation: Vergelijkbaar met 3D-filamentwikkeling, wordt het vezel geïmpregneerd tijdens de levering aan de printkop. Net als bij tow-extrusie vindt depositie plaats door een monding.

Toepassingsontwikkeling van composiet 3D-printen

Welke onderdelen kunnen nu van composieten worden gemaakt, of misschien makkelijker door het AM-proces?

Diverse beugels en bevestigingsmiddelen worden uitgebreid gebruikt in de luchtvaartindustrie – met name in sommige luchtvaartstructuren. Bijvoorbeeld, een reeks frames en stringers binnen de rompvacht. In het huidige productieregime is een mechanische bevestiging nodig om de frame en structuur aan de rompvacht te verbinden. Dit wordt momenteel gedaan met diverse complexe beugels en bevestigingsmiddelen en andere hardware geproduceerd met traditionele composietproductie (compressievorming) en kan in de toekomst efficiënter worden gedaan via additieve productie, afhankelijk van volume en materiaalvereisten.

Natuurlijk niet alleen in grootschalige toepassingsscenario's zoals vliegtuigen, maar 3D-printen van composieten heeft ook verbeeldingskrachtige toepassingsruimte in kleine scenario's.

AM-Additieve Productie maakt composieten steeds praktischer voor kleinere, complexere en kleinserige geproduceerde onderdelen. Composietproducent Hexcel gebruikt bijvoorbeeld het eigen 'HexAM' composiet additieve productieproces om onbemande luchtvaartuigen (UAV) componenten te 3D-printen.

Maar voor kleinserige, enigszins complexe onderdelen is een meer voorstelbaar onderdeel een vervanging voor de huidige gefreesde metaalonderdelen. De vervanging van metaalonderdelen door composieten is al ongeveer 50 jaar de manier waarop de composietenindustrie werkt. De uitdagingen die additief geproduceerde composietmaterialen tegenkomen bij het vervangen van metalen producten, moeten echter worden aangepakt.

3D-print dienstverleners

Er zijn veel 3D-print dienstverleners op de markt. De aanwezigheid van deze fabricanten zorgt ervoor dat mensen zich overweldigd voelen bij het kiezen van een 3D-print dienst. Aan het einde van het artikel beveel ik een professionele 3D-print dienstverlener aan – JTR Machine. Het is een van de beste 3D-print bedrijven in China. Ze bieden klanten complete productoplossingen volgens hun behoeften en kiezen voor 3D-print verwerking of traditionele CNC-verwerking volgens productkenmerken. Onderdelen en producten op de meest correcte manier voltooien. Als u zo'n professionele 3D-print dienstverlener nodig hebt om uw productieproblemen op te lossen, neem dan contact met ons op.