Composieten Benutten: De Sleutel tot Efficiënte Lichtgewicht CNC-Gebeurde Onderdelen

Lichtgewicht maken is het proces van het verlagen van het gewicht van een onderdeel om milieu- en/of economische redenen. Ingenieurs bereiken lichtgewicht onderdelen op ontwerpniveau door onnodig materiaal te verwijderen, ofwel door delen uit te hollen, roosters in hun ontwerpen toe te passen, of topologie-optimalisatie te benutten. Een andere effectieve methode van lichtgewicht maken is het uitwisselen van een zwaar materiaal voor een lichter dat aan kritieke mechanische eisen voldoet. Lichtere onderdelen zijn beter voor het milieu, kostenefficiënter en brandstofzuiniger, plus ze bieden productteams vaak meer materiaalopties.

Lichtgewicht maken is een zeer populaire techniek in de auto-, luchtvaart- en bouwindustrie. Veelvoorkomende toepassingen voor lichtgewicht maken in de auto-industrie – een van de meest prominente use-cases – omvatten motorblokken, chassis en een grote verscheidenheid aan andere onderdelen. Als een productteam niet lichtgewicht maken nastreeft via ontwerpelementen zoals roosters, maar door de incorporatie van lichtere materialen, is het belangrijk dat ze een materiaal gebruiken dat geen inboet op sterkte of duurzaamheid – composieten passen vaak perfect.

Wat is een composietmateriaal?

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

Composietmaterialen zijn ideaal voor lichtgewicht maken omdat ze, per gewicht, sterker zijn dan de meeste hoogpresterende homogene materialen op de markt. De meest voorkomende structuur voor composieten bestaat uit vezels die samengehouden worden 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, vaak bestaande uit polymeren, ervoor zorgt dat de vezels hun relatieve posities behouden. Als resultaat kunnen composieten in sommige gevallen tot 10 keer sterker zijn dan staal en 8 keer sterker dan aluminium, maar toch bemerkenswert licht. CNC-gebeurde onderdelen gebouwd met lichtgewicht composietmaterialen zijn brandstofzuiniger en makkelijker te transporteren of te installeren.

Naast hoge sterkte, duurzaamheid en laag gewicht, bieden composietmaterialen doorgaans verhoogde ontvrijheid. Ze kunnen gemakkelijk gevormd worden om complexe geometrieën te passen, wat ze ideaal maakt voor gebruik met CNC-bewerking. 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 toepasbaar zijn op lichtgewicht maken zijn polymermatrixcomposieten (PMCs) en metaalmmatrixcomposieten (MMCs). PMCs, ook bekend als vezelversterkte polymeren, zijn de meest voorkomende en gebruiken een polymergebaseerde hars voor de matrix en een koolstof- of glasvezel voor de versterking. MMCs zijn populair voor lichtgewicht maken in de auto-industrie en gebruiken een metaal zoals aluminium voor de matrix en siliciumcarbide voor vezelversterking.

Lichtgewicht composieten kunnen gemaakt worden uit veel verschillende combinaties van materialen, dus ingenieurs hebben veel grond af te leggen wanneer het gaat om materiaalkeuze. Hier zijn drie veelvoorkomende composiet bouwmaterialen die gebruikt worden voor lichtgewicht maken van CNC-gebeurde onderdelen.

1. Koolstof

Koolstofvezels komen in twee hoofdtypen – polyacrylonitriel-gebaseerde (PAN) koolstof en pitch-gefundeerde koolstof. 90% van de koolstofvezels op de markt vandaag zijn polyacrylonitriel-gebaseerd, en deze vezels bieden hoge stijfheid en moduluswaarden, evenals een indrukwekkende sterkte-gewichtsverhouding. Koolstof is goed geschikt voor lichtgewicht maken omdat het een laag-dichtheid composietmateriaal is met een hoog gewichtsreductiepotentieel – in feite is het 50% lichter dan staal.

Veelvoorkomende toepassingen voor CNC-gebeurde koolstofvezelcomposieten omvatten frames, chassis en andere componenten in de luchtvaart- en auto-industrie. Helaas is kosten de meest significante beperking van koolstof. Het is 570% duurder dan staal, volgens het International Research Journal of Engineering and Technology, wat prohibitief duur is voor veel productteams. Ook hebben koolstofvezels een lage impactweerstand, wat ingenieurs in acht moeten nemen voor lichtgewicht maken in de auto-industrie.

2. Glas

Glascomposiet vulmaterialen komen in vijf verschillende commerciële samenstellingen – E-glas, C-glas, S-glas, R-glas en T-glas. E-glas is de meest voorkomende glasvezel die in polymermatrices voor lichtgewicht maken wordt gebruikt en biedt uitstekende mechanische eigenschappen, hoge elektrische isolatie en lage gevoeligheid voor vocht. C-glasvezels zijn het beste voor toepassingen waar het onderdeel chemische weerstand vereist, maar S-glas heeft hogere sterkte, hittebestendigheid en modulus.

Glasvullers kunnen nog steeds als composietmateriaal voor lichtgewicht maken worden gebruikt, maar ingenieurs moeten weten dat glasvezel-versterkte onderdelen zwaarder zullen zijn dan koolstofvezel-versterkte onderdelen en speciale ontwerpaccommodaties vereisen in toepassingen waar hoge stijfheid vereist is. Productteams en ontwerpers moeten deze factoren in gedachten houden tijdens de ontwerpfase. Ondanks deze beperkingen gebruiken veel producten glasvezels omdat ze aanzienlijk kosteneffectiever zijn dan koolstofvezels.

3. Aluminium

Aluminium-gebaseerde metaalmmatrixcomposieten zijn erg populair voor lichtgewicht maken in de auto-industrie. Over het algemeen hebben aluminiumlegeringen enkele van de hoogste sterkte-gewichtsverhoudingen van algemeen beschikbare metalen, bieden uitstekende elektrische geleiding en zijn ze hoogst corrosievaste. Bovendien wegen aluminiumcomposieten ongeveer een derde van wat staal weegt.

Wanneer aluminium in een MMC wordt opgenomen, kan het composietmateriaal een hogere modulus, lagere thermische uitdijngscëfficiënt en hogere hardheid hebben dan onversterkt aluminium. Veelvoorkomende toepassingen in de auto-industrie omvatten voertuigframes, elektrische bedrading, wielen, motoronderdelen en meer. Helaas kan werken met aluminium de productiekosten in de hoogte drijven.

Aan de slag met CNC-composieten

Voor ingenieurs die sterke, flexibele en schadebestendige onderdelen willen bewerken zonder extra volume toe te voegen, zijn composietmaterialen de perfecte keuze voor lichtgewicht maken. Polymermatrix- en metaalmmatrixcomposieten vertegenwoordigen twee brede categorieën van composietmaterialen, en elk composiet dat in een van deze categorieën valt, kan opgebouwd zijn uit veel verschillende combinaties van materialen. Als zodanig kan het uitdagend zijn voor productteams om te garanderen dat ze het juiste composietmateriaal voor hun project kiezen.

Een ervaren productiepartner zoals Fast Radius kan productteams helpen het materiaalkeuzeproces te meesteren. Ons team van expert ontwerpers, ingenieurs, machinisten en technologen heeft decennialange ervaring in het begeleiden van teams door het gehele productontwikkelproces, dus we weten dat een uitzonderlijk onderdeel begint met de juiste materialen. Neem vandaag nog contact met ons op – we zijn er om te helpen.

Voor meer tips over hoe u het meest uit CNC-bewerking kunt halen, bekijk de gerelateerde blogartikelen in het Fast Radius kenniscentrum.

Klaar om uw onderdelen te maken met Fast Radius?

Start uw offerte