如何用3D列印製作碳纖維零件

碳纖維強化材料這樣的複合材料是非常多元且有效率的材料,推動了從航空到醫療保健等許多市場的創新研發。這款材料的性能相較於傳統材料如鋼、鋁、木材更優異,且能夠製造高性能的輕量產品。


在這篇文章中,我們將帶您了解製作碳纖維零件的基礎知識,包括如何運用不同的方法以及如何用3D列印來降低成本與節省時間。


 

複合式材料

復合材料是兩種或多種成分的組合,它的特性有別於其中單獨的材料成分。通常它的工程性能會提高,像是增加強度、效率或者耐用性。複合材料由增強的材料所製成—像是纖維或顆粒—且透過基質/材料母體(像是聚合物、金屬或陶瓷)來乘載並將其固定在一起。

纖維強化聚合物(FRP)幾乎佔領了整個市場,且進一步推動了各個產業中新應用的增長。其中,碳纖維是一種廣泛使用的複合材料,特別是用於飛機產業、賽車產業、自行車產業等,因為它的強度與鋼度是鋁的三倍以上,但重量卻是減輕了40%。它是由強化的碳纖維與環氧樹脂所組成。

可以將纖維單向定向並將其技巧性的對齊來增加它的強度。交織的纖維可用在多個向量中增強強度,它們也會影響到複合式零件的縫隙外觀。透過結合兩種方式來製作零件是很常見的,市面上有許多類型的纖維可用,包括:

玻璃纖維碳纖維芳綸纖維(克維拉纖維)

最受歡迎的纖維

輕巧,適度的拉伸和壓縮強度

低成本且易於使用

市面上最高的強度和剛度重量比(擁有極大的拉伸性能,抗壓力與抗彎強度)

費用比其他纖維貴

相較碳纖維擁有更高的耐衝擊與耐磨損強度。較低的抗壓力。較難以切割或機械加工。

 

樹脂可用來將這些纖維固定在一起並形成剛性的複合材料,市面上有數百種樹脂可以使用,以下是最受歡迎的幾款:

 

樹脂種類優點缺點固化資訊
環氧樹脂最高極限強度、最輕的重量、最長的保質期價格最貴、對於混合的比例與溫度改變較敏感需使用特定的硬化劑(雙系統)、某些環氧樹脂需要加熱
聚酯纖維簡單易用(最受歡迎)、抗UV、低成本較低的強度和耐腐蝕性透過催化劑(MEKP)來固化
乙烯基樹脂

混合了環氧樹脂的性能和聚酯纖維的低成本

擁有最佳的耐腐蝕性,耐溫性和延伸率

強度比環氧樹脂低,成本比聚酯纖維高

保質期有限

透過催化劑(MEKP)來固化

 

製造碳纖維零件的三種方法

 

製造纖維強化的聚合物(例如碳纖維零件),在一次性生產或者批量生產中都是非常技巧性且勞力密集的過程。根據物件的大小與複雜程度,循環時間從1小時到150小時都有可能。通常在製造FRP的過程中,連續的直纖維在基質中連接以形成獨立的層狀結構,接著逐層被壓至最終物件上。

材料的複合性能與層壓過程一樣多,材料摻入的方式會大幅地影響零件的性能,熱固性樹脂與強化的材料一起在工具或者模具中成型,接著固化以形成堅固的產品。市面上有許多種層壓技術,可以將其分為主要三種類型:

1. 濕式疊層(Wet Lay-Up)

在濕式疊層方法中,纖維是被切割並鋪入模具中,並透過刷子、滾輪或者噴槍來加入樹脂。這種方式需要最熟練的技術來製作高品質零件,不過它同時也是最便宜的工作流程,且開始製作DIY碳纖維零件所要求的門檻也最低。如果您是碳纖維零件製造的新手,但還沒有相關設備,我們建議您可以從濕式疊層(Wet Lay-Up)開始著手

Carbon Fiber Lay-up

 

2. 預浸材疊層 (prepreg laminate)

透過預浸材疊層 (prepreg laminate)製作方式,樹脂會被注入到前方的纖維中。將預浸漬的薄片先進行冷藏保存以抑制固化。層狀結構會在熱壓器中加熱與加壓並固化至模具中。因為控管了樹脂的量,所以這項製作方式是一個更精確且可重複的流程,不過它同時也是最昂貴的技術,所以一般是需要高品質效果的應用會採用。

 

3. 樹脂轉注成型 resin transfer molding (RTM)

使用樹脂轉注成型(RTM)時,乾的纖維會被注入兩件式模具中,並且在高壓下將樹脂壓入空腔之前,先將模具鉗緊。這個製作方式通常是自動化的,且用於大批量生產。

 

製作用於3D列印碳纖維零件的模具

由於模具的品質會直接影響到最終的零件品質,因此模具是纖維強化聚合物(FRP)製作很關鍵的要素。大多數的模具是由蠟、泡沫、木材、塑料、金屬並透過CNC加工或手工製作而成。手工製作的話需要很多的勞力,而CNC加工通常需要經過複雜且耗時的工作流程(尤其是複雜的幾何圖形),且外包通常會有較高的金錢與時間成本,兩種製作方式都需要技巧純熟技術人員,且在設計迭代與模具調整的靈活性非常低。

加法製造(3D列印)為您提供了「低成本」且「可快速生產模具與細節」的解決方案。在製造的過程中,透過聚合物加工的生產方式不斷地成長。透過公司內部直接列印塑料零件來取代金屬工具是個強大且符合成本效益的方法,這代表了可以縮短製造的時間,同時也擴大的設計的靈活性。許多工程師已經使用樹脂3D列印來製作夾具與治具,用來做如線絲纏繞或自動纖維放置等應用。同樣地,3D列印的模具也常被用來做「射出成型」、「熱成型」或者「鈑金」等應用,來達到小批量生產。

公司內部的桌面級3D列印需要有限度的設備來降低工作流程的複雜性。例如Form3這樣專業且價格合理的3D列印設備,簡單易操作,且可以根據需求快速擴展。大型的3D列印機Form3L也可以用來製作大型工具與模具。

雷射光固化(SLA)3D列印技術可以製作具有平滑表面的零件,這對於疊層模具非常重要,它可以列印出高精度的複雜幾何結構。此外,Formlabs超多元樹脂還有許多其他不同機械性能與熱性能的工程材料,可與模具有良好的搭配應用。

 

用3D列印模具來製造碳纖維零件可以降低成本並縮短交期。

 

對於小規模的生產,工程師可已在幾小時內就用很低的成本3D列印好模具,不需要手工雕刻或者應用CNC設備:CAM軟體、機器設置、夾具、機械加工與碎片排除等。大幅減少了所需的人工成本與交貨時間,因此加快了設計的迭代與零件的訂製。3D列印可以達到傳統工具難以達到的精細細節與複雜模具形狀。

柏林工業大學(FaSTTUBe)的Formula Student團隊生產了十幾個用於賽車的碳纖維零件。團隊中的工程師將層壓板放在直接用Formlabs Tough 1500樹脂列印的模具上。這款樹脂的特徵是它的拉伸模量為1.5GPa,斷裂伸長率為51%。它不僅在鋪層過程中具有牢固的支撐性,而且還具有足夠的柔韌性,可在固化後將零件與模具分離。

有些層壓技術會涉及較高的壓力與溫度條件。DeltaWing Manufacturing公司用Formlabs耐高溫樹脂,並用預浸料製造技術來製造氣流零件。耐高溫樹脂在0.45MPa下的熱變形溫度(HDT)為238°C,能夠承受高壓設備的熱度與壓力。DeltaWing Manufacturing已經持續直接列印模具,並且生產至少十個系列的客製化零件了。

碳纖維物件與兩件式耐高溫模具

 2021-05-05
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