فیبر کربن و چاپ سه بعدی: دوتایی برنده؟

همانطور که می دانیم، الیاف کربن به ندرت به تنهایی مورد استفاده قرار می گیرند. آنها معمولاً با مواد دیگر ترکیب می شوند تا آنچه را که ما کامپوزیت می نامیم تشکیل دهند. این کامپوزیت ها معمولاً از یک پلیمر ساخته می شوند که به آن الیاف کربن اضافه می شود، البته می توان از مواد غیر پلیمری مانند سرامیک نیز استفاده کرد. مزیت اصلی ساخت قطعات قوی تر اما سبک تر، با سطح سفتی بالاتر است. خواص مکانیکی کامپوزیت های فیبر کربن چاپ شده سه بعدی از نظر چقرمگی و مقاومت در برابر دما از تقریباً سایر پلاستیک ها فراتر می رود.

برخی از بازیگران بازار فناوری هایی را برای چاپ مداوم این مواد ارائه می دهند. Markforged آن را به عنوان “تولید رشته پیوسته” (CFF) به بازار عرضه می کند، در حالی که Anisoprint آن را “Coextrusion فیبر مرکب” (CFC) می نامد. اخیراً، Desktop Metal نیز با راه‌اندازی یک سیستم جدید به نام Fiber که از قرار دادن میکروفیبر خودکار (μAFP) استفاده می‌کند، به مسابقه پیوسته است. از سوی دیگر، 9TLabs یک سیستم اضافی برای چاپگرهای سه بعدی رایج ایجاد کرده است. آنها این فرآیند چاپ سه بعدی را فناوری فیوژن افزودنی (AFT) می نامند.

IDTechEx در گزارش کامپوزیت های چاپ سه بعدی 2020 تا 2030 خود نشان می دهد که ارزش بازار جهانی کامپوزیت های چاپ سه بعدی تا سال 2030 به 1.7 میلیارد دلار خواهد رسید. این رقم شامل سایر کامپوزیت ها مانند مواد تقویت شده با الیاف شیشه یا پلاستیک می شود. با این حال، روند به وضوح نشان می دهد که صنعت تولید مواد افزودنی به طور فزاینده ای از تمام ترکیبات از جمله کربن در فعالیت های تولیدی خود استفاده می کند.

به لطف تکنیک های طراحی، می توان یک قطعه را با فیبر کربن تقویت کرد (اعتبار عکس: Anisoprint)

در ساخت افزودنی، اساساً دو روش برای استفاده از الیاف کربن وجود دارد، اولی رشته های تقویت شده و دومی تقویت پیوسته فیبر کربن است. فیلامنت فیبر کربن به طور قابل توجهی قوی تر از رشته های تقویت نشده است. با این حال، برای دستیابی به بخش قوی تر، می توان از تکنیک دیگری به نام تقویت پیوسته فیبر کربن استفاده کرد. در این مورد، دو نازل مورد نیاز است: یکی رشته را اکسترود می کند و دیگری فیبر کربن. از آنجایی که این ماده به قطعات کوچک بریده نمی شود، استحکام خود را برای مدت طولانی تری حفظ می کند. سازندگان پرینترهای سه بعدی ادعا می کنند که می توانند چاپ سه بعدی فلزی را برای برخی کاربردها جایگزین کنند زیرا مواد ارزان تر هستند. در نهایت، با قرار دادن فیبر کربن که برای تکنیک‌های تولید افزودنی طراحی شده است، می‌توان استحکام بیشتری را به قطعه اضافه کرد و در عین حال مصرف مواد را کاهش داد.

با دور شدن از فرآیند اکستروژن رایج تر، فرآیند ثبت اختراع AREVO بر اساس فناوری Focused Energy Material Deposition، که در آن از لیزر برای گرم کردن رشته و فیبر کربن به همراه یک غلتک استفاده می شود، این دو را با هم فشرده می کند. Impossible Objects و EnvisionTEC همچنین سیستم‌های چاپ سه بعدی فیبر پیوسته را به مجموعه ماشین‌های خود اضافه کرده‌اند، اما این فناوری کمی متفاوت است. آنها با استفاده از یک فرآیند لایه بندی، بسته های فیبر را وارد چاپ می کنند. در نهایت، Continuous Composites از یک فناوری ترکیبی استفاده می‌کند که در آن رشته فیبر در رزین بریده می‌شود و سپس تحت نور UV، شبیه به چاپ سه بعدی استریولیتوگرافی، پخت می‌شود.

پرینت سه بعدی طراحی و ساخت را کاملا متحول کرده است و اکنون با استفاده از کامپوزیت های فیبر کربنی چاپ شده سه بعدی، حتی احتمالات بیشتری در حال باز شدن است. فیبر کربن که برای اولین بار در سال 1860 توسط جوزف سوان معرفی شد، از یک زنجیره طولانی از اتم های کربن به هم پیوسته تشکیل شده است. این زنجیر معمولاً بین 5 تا 10 میکرومتر قطر دارد و طول آن بسته به کاربرد خاص شما متفاوت خواهد بود. در این راهنمای کامل شما قادر خواهید بود تمام اطلاعات مربوط به آن، چگونگی و چرایی استفاده از فیبر کربن امروزه را بیابید، که سازندگان این ماده و کاربردهای آن را از جمله موارد دیگر ارائه می دهند.

تولید و ویژگی ها فیبر کربن

بخش‌های فیبر کربن برای تقویت آن در فیلامنت ادغام می‌شوند (اعتبار عکس: Markforged)

فیبر کربن در چاپ سه بعدی

به طور سنتی، کامپوزیت های فیبر کربن برای طراحی ساختاری استفاده می شود، که در آن وزن اضافه شده به هزینه های چرخه عمر بالاتر یا عملکرد نامطلوب ترجمه می شود. کامپوزیت های فیبر کربن را می توان برای ساخت بسیاری از محصولات مانند قاب دوچرخه، بال هواپیما، پروانه، قطعات خودرو و غیره استفاده کرد. همانطور که می توانید تصور کنید، با توجه به مزایای فراوان فیبر کربن، دیگر فقط سیستم های تولید سنتی نیستند که از آن استفاده می کنند. در سال های اخیر، تعداد فزاینده ای از شرکت های چاپ سه بعدی مواد یا فناوری های تقویت شده با فیبر کربن را ارائه می دهند. آنها توانایی کار با این ترکیب را توسعه داده اند که امکان کاربردهای با کارایی بالاتر را فراهم می کند زیرا قادر به مقاومت در برابر دماهای بالا هستند و می توانند اشکال سفارشی را به سرعت و کارآمد ایجاد کنند. علاوه بر این، آنها از ماشینکاری یا فرآیندهای ریخته گری اجتناب می کنند، که تولید قطعات سفارشی، قطعات یدکی و نمونه های اولیه کار را تسهیل می کند.

این رشته‌ها از الیاف کربن کوتاه استفاده می‌کنند که از بخش‌هایی به طول کمتر از یک میلی‌متر تشکیل شده‌اند که با یک ترموپلاستیک به نام ماده پایه مخلوط می‌شوند. چندین رشته محبوب وجود دارد که می توان آنها را با پرکننده فیبر کربن خریداری کرد، از جمله PLA، PETG، نایلون، ABS و پلی کربنات. این الیاف بسیار قوی هستند و فیلامنت را قوی تر و سفت تر می کنند و وزن کلی آن را کاهش می دهند.

با گذشت زمان، فیبر کربن به دلیل خواص عالی مانند سختی بالا، استحکام کششی، وزن کم، مقاومت شیمیایی، توانایی مقاومت در برابر دمای بالا و انبساط حرارتی کم، در صنایع مختلف محبوبیت پیدا کرده است. به طور خاص، فیبر کربن خالص با وجود سبک‌تر بودن، پنج برابر قوی‌تر از فولاد و دو برابر سفت‌تر است. این ویژگی ها الیاف کربن را برای کاربردهایی مناسب می کند که به خواص یک ماده برای بهینه سازی عملکرد بستگی دارد، که به ویژه در بخش هایی مانند هوافضا، خودروسازی، نظامی یا مهندسی عمران و غیره صادق است.

نظر شما در مورد این ماده مورد استفاده در تولید مواد افزودنی چیست؟ دریغ نکنید نظر خود را در نظرات مقاله به اشتراک بگذارید. همه ویدیوهای ما را در کانال ما بیابید یوتیوب یا ما را دنبال کنید فیس بوک یا توییتر !

منبع

الزامات پرینت سه بعدی برای رشته های فیبر کربنی باید مشابه مواد پایه ای باشد که الیاف کربن به آن اضافه شده است. تفاوت اصلی این است که الیاف می توانند نازل های چاپگر سه بعدی را مسدود کنند، بنابراین کارشناسان استفاده از نازل فولادی سخت شده را توصیه می کنند. همچنین، فراتر از یک آستانه فیبر مشخص، قسمت چاپ شده سه بعدی سطح خود را از دست می دهد.

قاب دوچرخه از فیبر کربن ساخته شده است (اعتبار عکس: Arevo)