Een composietmal maken van een 3D print

In deze instructievideo werken we met een 3d geprint patroon om productieklare mallen te maken voor koolstofvezelonderdelen. Dit proces kan worden gevolgd om composietmallen te maken die geschikt zijn voor nat-opleggen, vacuümzakken, harsinfusie en prepreg productietechnieken.

• Hoe je een 3d printer gebruikt om een patroon te maken en het oppervlak voor te bereiden voor het maken van een mal.
• Hoe maak je mallen van 3D-geprinte patronen met epoxy-materiaal voor het maken van mallen.
• Hoe je deze mallen gebruikt om een prepreg onderdeel van koolstofvezel te maken.

Er zijn vele manieren om patronen te maken, van eenvoudig met de hand vormgeven in materialen zoals hout en schuim tot 5-assige CNC bewerking van epoxy of polyurethaan modelplaat. In deze tutorial richten we ons op het gebruik van FDM printers om de initiële patroonvorm te maken. 3D printtechnologie is een kosteneffectieve oplossing voor het maken van patronen die zowel snel als schoon is en bijzonder geschikt voor het ontwikkelen van kleine composietonderdelen.

We nemen een FDM-print met de barrières al gemodelleerd en coaten deze met een epoxycoating die het oppervlak afdicht en glad maakt. Na het vlakken en polijsten kan dit patroon worden gebruikt om een mal te maken met behulp van een conventionele malmethode die uithardt bij kamertemperatuur. In dit project gebruiken we de EG160 hoge temperatuur epoxy gelcoat en EMP160 hoge temperatuur epoxy lamineerpasta.

Zodra de mallen zijn gemaakt, gaan we verder met het vervaardigen van het onderdeel met behulp van de XPREG XC110 uit autoclaaf koolstofvezel prepreg.

Er zijn veel verschillende printmaterialen die kunnen worden gebruikt voor het maken van patronen, maar we raden sterk aan om PLA of ABS te gebruiken, niet alleen zijn dit de meest direct beschikbare printfilamenten, maar de resulterende print zal ook een goede hechting bieden met de XCR Epoxy Coating Resin die wordt gebruikt om de print af te dichten en glad te maken. Andere printmaterialen bieden mogelijk een verminderde hechting, dus als je van plan bent een ander type te gebruiken, moet je een kleine compatibiliteitstest uitvoeren.

Het patroon wordt dan gecoat met XCR coatinghars. Dit is een speciaal ontwikkelde coatinghars die zowel uitstekende hechting op het substraat als nivellerende en glanzende eigenschappen heeft. Eenmaal uitgehard kan het XCR coatinghars worden gebruikt om mallen te maken van alle conventionele mallenmakersmaterialen, waaronder epoxy, polyester en vinylester.

De volgende compatibiliteitskwestie is die met het gekozen matrijsmaaksysteem; dit moet compatibel zijn met de uiteindelijke productietechniek. In dit project hebben we de hoge temperatuur epoxy EG160/EMP160 combinatie gebruikt omdat we wilden dat de matrijs bestand was tegen verwerking bij verhoogde temperatuur voor prepreg, maar voor matrijzen bij omgevingstemperatuur voor nat opleggen, vacuüm verpakken of harsinfusie kunnen systemen zoals Uni-Mould of EG60/EMP60 worden gebruikt. Het belangrijkste type matrijzen dat niet wordt aanbevolen voor 3D-geprinte patronen is prepreg matrijzen zoals XT135, omdat de verhoogde temperatuur en het vacuüm de 3D-print aanzienlijk kunnen vervormen of laten instorten.

Afdrukapparatuur en -materiaal

Je hebt een goed geconfigureerde en ingestelde FDM-printer nodig. Voor dit project hebben we de uitstekende Ultimaker S5 gebruikt, die met zijn voorinstellingen en intuïtieve gebruikersinterface 3D-printen eenvoudig maakt, maar elke printer die goed is geconfigureerd kan worden gebruikt. Als u op zoek bent naar advies over 3d printen, bevelen wij u graag onze leverancier Dynamism aan.

We raden aan om PLA-filament te gebruiken, niet alleen omdat dit een van de best verkrijgbare en betrouwbaarste printmaterialen is, maar ook omdat het goed hecht aan de coatinghars.

Patrooncoatings- en afwerkingsmaterialen

XCR epoxy coating hars is speciaal ontworpen voor hoogwaardige coating toepassingen en heeft bewezen een onovertroffen hechting aan de print en oppervlakte afwerking te bieden bij het coaten van FDM 3D prints. Doorgaans wordt XCR toegepast met ongeveer 300-500 gram per vierkante meter; voor kleinere patronen moet je rekening houden met een groter aandeel verspilling (in de mengbekers, kwasten etc.).

Na het coaten moet het patroon normaal gesproken worden gevlakt met 800 en 1200 korrel nat-en-droog schuurpapier en vervolgens worden gepolijst met NW1-slijppasta.

Materialen voor het maken van mallen

In dit project gebruiken we een hoge temperatuur gelcoat en lamineerpasta die in eerste instantie uithardt bij kamertemperatuur maar gebruikt kan worden in processen bij verhoogde temperatuur nadat deze is losgelaten van het patroon. De methoden voor het maken van mallen zouden precies hetzelfde zijn als de mallen gemaakt zouden worden van het standaard temperatuur epoxysysteem EG60 en EMP60.

Componenten Materialen

Het onderdeel is gemaakt met 1 laag XPREG XC110 210g 2/2 prepreg koolstofvezel met op sommige plaatsen een tweede laag om de sterkte waar nodig te verhogen. De vacuümverpakkingsmaterialen zijn R210 ongeperforeerde verwijderbare folie, BR180 ontluchtingsdoek, VB160 vacuümverpakkingsfolie en ST150 afdichtband.

Prepreg Verwerkingsapparatuur

Voor het vacuüm zamelen en vacuüm houden tijdens de uitharding gebruikten we de EC4 composieten vacuümpomp en de temperatuur gecontroleerde uitharding werd gedaan in onze tafelmodel OV301 composieten uithardingsoven.

Het onderdeel moet gemodelleerd worden inclusief de flensbarrières en geprint worden in PLA, hoewel je de meest geschikte instelling voor je printer moet bepalen. Over het algemeen kunnen de printinstellingen ingesteld worden op een sneller 'draught' printprofiel met een grotere laaghoogte van 0,2 mm omdat laaglijnen bij deze resolutie gemakkelijk bedekt worden door de volgende epoxycoating. De dikte van de omhulling wordt meestal ingesteld op 0,8 mm met een vulling van 20%. Als je project een hogere nauwkeurigheid vereist, kun je een hogere resolutie kiezen.

Hoewel dit voor veel projecten niet nodig is, moet het oppervlak van het onderdeel voor meer maatkritische toepassingen ongeveer 0,25 mm worden verschoven om rekening te houden met de dikte van de epoxycoating.

Patronen die groter zijn dan het afdrukvolume kunnen in delen worden afgedrukt en dan aan elkaar worden geplakt met een geschikte lijm. Voor PLA zijn cyanoacrylaat (superlijm) en epoxylijm zeer effectief.

Om een gladgemaakt oppervlak te krijgen moet het patroon gecoat worden met epoxy, zonder dit zou het patroon moeilijk te verwijderen zijn uit een mal en zou de oppervlakteafwerking op de mal het minder dan perfecte oppervlak van de 3d print vertonen. Om het patroon voor te bereiden op het coaten moet het eerst geschuurd worden met korrel 240, dit dient 2 doelen, ten eerste verwijdert het hoge vlekken of oneffenheden die mogelijk zijn achtergelaten door de 3d printer, ten tweede zorgt het voor een goede 'sleutel' voor de epoxy coating om aan te hechten.

Het patroon kan nu worden gecoat met de XCR coatinghars, meestal heb je ongeveer 300 gram per vierkante meter nodig voor elke laag die je aanbrengt, in de praktijk zul je voor kleine patronen meer moeten mengen dan dit om rekening te houden met verspilling in de mengbekers en kwast. De verharder moet worden toegevoegd aan de hars in de exacte verhouding van 100:35, zo nauwkeurig mogelijk voor kleine batches hars helpt een weegschaal met een nauwkeurigheid van 1/10 gram. Het is het beste om de hars in één beker te mengen, dan over te doen in een tweede beker en opnieuw te mengen om er zeker van te zijn dat er geen ongemengde hars achterblijft.

De hars mag niet worden gespoten, de applicatiemethode is om een dunne en gelijkmatige laag over het oppervlak te kwasten op een manier zoals bij glanzend verven. Na het aanbrengen van de laag moet deze een paar minuten later worden gecontroleerd op eventuele uitlopen, overtollige hars moet dan worden verwijderd met een borstel.

Voor de meeste patronen zijn 2 lagen hars nodig, deze tweede laag moet worden aangebracht als de eerste het B-fase heeft bereikt; voor XCR is dit meestal 3 uur, maar dit is afhankelijk van de kamertemperatuur. Om te zien of de hars in het juiste stadium is, moet het kleverig aanvoelen met een gehandschoende vinger maar geen residu achterlaten. Op dit punt kan de tweede laag worden gemengd en aangebracht zoals bij de eerste laag.

Laat de hars nu volledig uitharden, wat afhankelijk van de temperatuur 12-24 uur duurt.

LET OP: laat de gemengde XCR hars niet achter op de bodem van de mengbeker als deze dieper is dan 5 mm, dit kan een thermische runaway ondergaan die gevaarlijk kan zijn. Overtollig hars moet in een bak gegoten worden om het oppervlak te vergroten en/of de container moet verplaatst worden naar een veilige locatie buiten in geval van oververhitting.

Hoewel het mogelijk zou zijn om lossingsmiddel aan te brengen en direct een mal te maken van de XCR zoals die overblijft na de borstelcoating, is het vlakken en polijsten van het oppervlak over het algemeen nodig om een nauwkeurige afwerking te krijgen.

Het vlakschuurproces moet beginnen met de fijnste papiersoort die gebruikt kan worden om het oppervlak snel vlak te maken. Dit is een kwestie van inschatting, maar over het algemeen is dit korrel 400 of 800 nat en droog. Dit kan het beste nat gedaan worden om te voorkomen dat het papier verstopt raakt en de gradaties moeten doorgewerkt worden tot een minimum van 1200 grit, de samengestelde gebogen gebieden worden gedaan met het papier alleen en dan voor de vlakke gebieden en enkele krommingen wordt het rond een blok gewikkeld om een perfect vlak oppervlak te behouden. wanneer je doorgaat naar een fijnere gradatie van schuurpapier is het belangrijk om het patroon schoon te maken en het water te verversen omdat het ervoor zorgt dat je niet gewoon rond deeltjes van de vorige gradatie wrijft en krassen veroorzaakt.

Vanaf de korrel 1200 (of fijner) kunnen we verder gaan met de laatste polijstbeurt, hiervoor gebruiken we polijstpasta NW1, die speciaal is ontworpen voor composietharsen. Tenzij je patroon heel klein is, kun je dit het beste doen met een schuimpad op een polijstmachine, maar als je doorzettingsvermogen hebt kun je het ook helemaal met de hand doen.

In tegenstelling tot veel andere compounds heeft de NW1 geen water nodig en droogt het niet snel uit. Dit specifieke compound is zelf-afbouwend, dus hoe meer je ermee werkt, hoe fijner het wordt en het zou in staat moeten zijn om je in één stap tot een volledig spiegelend polijstresultaat te brengen. Na het polijsten kun je de laatste resten van het compound wegvegen met een microvezeldoek, wat een spiegelend polijstresultaat op je voltooide patroon zou moeten opleveren.

Voor het maken van de mal moet het patroon gecoat worden met een lossingsmiddel om te voorkomen dat het patroon en de mal aan elkaar hechten. De meeste composiet lossingssystemen zoals was en PVA kunnen worden gebruikt, maar we raden aan om het zeer betrouwbare Easylease chemische lossingsmiddel te gebruiken, dat is wat in dit en de meeste van onze andere projecten is gebruikt.

Het reinigen van het patroon en het aanbrengen van het lossingsmiddel moet gebeuren in een goed geventileerde ruimte. Breng na het reinigen van het patroonoppervlak het Easy-Lease™ chemisch lossingsmiddel in een dunne laag aan op het oppervlak van de mal met een klein stukje pluisvrije doek.

Zodra de film begint te verdampen (5-30 seconden) gebruik je een tweede doekje om lichtjes met ronddraaiende bewegingen het overtollige te verwijderen en de film te egaliseren.

Breng op een nieuw patroon ten minste 6 lagen aan, met minimaal 15 minuten tussen elke laag. Laat de laatste laag minstens 1 uur zitten voordat je de mal lamineert. Het is belangrijk om pluisvrije oplosmiddeldoekjes te gebruiken omdat normaal vloeipapier kan worden aangetast door het oplosmiddel en vlekken achterlaat. Het is ook belangrijk om voor elke laag een nieuw doekje te gebruiken zodat je het lossingsmiddel niet vervuilt met gedeeltelijk uitgehard materiaal van het vorige doekje.

In dit project gebruiken we de hoge temperatuur versie van ons epoxy matrijzenmakerij systeem met EG160 gelcoat en EMP160 matrijzenmaker pasta. Patronen gemaakt met deze techniek kunnen echter gebruikt worden om matrijzen te maken met elk conventioneel matrijzenmakerij proces bij omgevingstemperatuur, dus raadpleeg de technische informatie van het door u gekozen matrijzenmakerij proces.

Aanbrengen van de gelcoat: De EG160 Epoxy Tooling Gelcoat wordt zorgvuldig en volledig gemengd volgens de instructies. In deze tutorial gaan we 'double-gelling' toepassen, waarbij de gelcoat in twee gelijkmatige applicaties wordt aangebracht.

De eerste laag gelcoat wordt grondig gemengd en direct op het voorbereide patroon aangebracht met een dikte van ongeveer 500 g per vierkante meter, of ongeveer 0,5 mm.

De eerste laag laat je dan uitharden tot de 'B-fase', waar hij stevig maar nog steeds kleverig is. De exacte timing hiervan hangt af van de temperatuur, maar bij 20°C is dit ongeveer 5 uur.

Zodra de eerste laag is uitgehard tot het B-niveau, wordt een tweede laag gelcoat aangebracht. De tweede laag wordt op dezelfde manier gemengd en aangebracht als de eerste, met als doel de gelcoat zo glad en gelijkmatig mogelijk te houden. Deze tweede laag gelcoat laat je nu ook uitharden tot het B-niveau.

Zodra de tweede laag gelcoat is uitgehard tot de B-fase, kan de hoofdversteviging voor de mal worden aangebracht. Het is erg belangrijk om de gelcoat niet verder dan stadium B te laten uitharden, anders wordt deze te hard en droog en kan de lamineerpasta er niet goed op hechten. In het geval van het hoge temperatuur systeem raden we sterk aan om een dunne laag EG160 gel aan te brengen direct voorafgaand aan de mal makende pasta om te fungeren als een 'koppellaag' die de hechting van de interface bevordert.

EMP160 is een lamineerpasta op basis van epoxyhars. De pasta bevat hars, vulmiddel en gehakte glasvezelstrengen voor versterking en kan dus op zichzelf gebruikt worden als de hoofdwapening voor de mal. Het voordeel van een lamineerpasta is dat het fijne, pasta-achtige materiaal heel gemakkelijk in hoeken en details te verwerken is, waardoor de kans op luchtlekken kleiner wordt en een snelle en betrouwbare manier is om een mal op basis van epoxy te versterken.

EMP160 wordt grondig gemengd volgens de instructies en direct aangebracht op de natte koppellak van EG160 gelcoat in een laagdikte van ongeveer 10 mm. Zorg ervoor dat er geen lucht onder de wapening blijft zitten, over het algemeen is het het beste om het oppervlak te 'betegelen' met kleinere hoeveelheden.

EG/EL/EMP160 kan worden uitgehard tot een vormbare toestand in 24 uur bij 25C, maar in dit stadium kan het bros zijn en gevoelig voor scheuren tijdens het ontvormen van meer complexe matrijsvormen. Daarom wordt in de meeste gevallen aanbevolen om de eerste uitharding uit te voeren bij 40C (waarbij de uithardingstijd kan worden teruggebracht tot 12 uur). Het uitvoeren van de eerste uitharding bij 40C is laag genoeg om vervorming van het patroon te voorkomen, terwijl nog steeds de hars uithardt tot een voldoende niet-brosse toestand om te ontvormen zonder risico op schade.

Aanbevolen: 12 uur @ 40C

Alternatief: 24 uur (min) @ 25C - Waarschuwing: Hars zal erg broos zijn voor uitharding

Nadat de mal volledig is uitgehard, kan deze van het patroon worden verwijderd. Het verwijderen van overtollig materiaal van de omtrek helpt vaak bij het loslaten. Vervolgens kunnen plastic wiggen worden gebruikt om de mal voorzichtig van het patroon te scheiden.

In het geval van deze matrijs voor hoge temperaturen moeten we nu een post-cure uitvoeren op de matrijs. Dit houdt in dat we de temperatuur geleidelijk laten oplopen tot de gebruikstemperatuur om de matrijs te conditioneren, informatie over dit uithardingsprofiel is te vinden in de datasheet van het product.

Voor gebruik wordt de mal dan gecoat met Easylease Release agent op dezelfde manier als het patroon was gecoat.

Er zijn veel processen die je kunt kiezen om je uiteindelijke onderdeel te maken. Voor dit specifieke project hebben we ervoor gekozen om het onderdeel te maken met behulp van een prepregproces buiten de autoclaaf, waarvoor een vacuüm en een oven nodig zijn. Raadpleeg onze andere gidsen als je informatie wilt over de verschillende verwerkingsopties.

Deze onderdelen worden gemaakt met een extreem dun (0,25 mm) laminaat dat bestaat uit slechts 1 laag 210g XC110 prepreg koolstof. De verwerking van de prepreg is relatief eenvoudig, maar er moet goed op gelet worden dat het materiaal goed in de mal ligt. Werk over het algemeen vanuit het laagste punt in het midden en werk systematisch uit zodat je geen hoeken of details overbrugt.

Hier kan lamineergereedschap, dibbers genaamd, worden gebruikt om de prepreg in de mal te drukken. Deze gereedschappen kunnen met de hand worden gemaakt, kant-en-klaar worden gekocht of randen van andere gereedschappen worden gebruikt, bijvoorbeeld het handvat van een schaar. Ook hier is het belangrijk dat er geen bruggen of holtes zijn. Als je andere stukken rond krappe hoeken of details legt, kan het materiaal kreuken of omhoog komen. Op deze plaatsen kan een composietsnijder worden gebruikt om kleine sneden te maken zodat het materiaal kan overlappen en zich naar de mal kan vormen.

Omdat deze onderdelen slechts 1 laag dik zijn, zijn de typische 'de-bulking' processen die normaal gebruikt worden bij prepreg lamineren niet nodig. In plaats daarvan kan het onderdeel rechtstreeks in de laatste vacuümzak, klaar om uit te harden. Het is essentieel dat deze laag, net als het laminaat zelf, voorzichtig op het maloppervlak wordt gedrukt zonder bruggen. Eenmaal op het maloppervlak wrijf je met een doek om de release film stevig op het materiaal te drukken. Indien nodig kun je flash release tape gebruiken om de folie op zijn plaats te houden.

Voor dit formaat onderdeel is het alleen nodig om een ontluchter aan de onderkant en rand van het onderdeel te hebben om een luchtpad te creëren. Het niet hebben van een ontluchter op het materiaaloppervlak helpt bij complexe vormen, omdat de ontluchter niet in de weg zit als de vacuümzak in de krappe hoeken en details moet komen.

De zak die wordt gemaakt is een enveloppezak waarbij de mal direct in de zak wordt geplaatst. Dit is gebruikelijk bij de productie van kleinere prepreg onderdelen omdat het perfect mogelijk is om meerdere kleine onderdelen in één grote vacuümzak te plaatsen en ze allemaal samen uit te harden. Het verbindingsstuk voor de doorgaande zak wordt op een hoek van de ontluchter geplaatst om ervoor te zorgen dat er een ononderbroken luchtpad is.

Begin met het trekken van een gedeeltelijk vacuüm en stop waar nodig om de verpakkingsfolie te positioneren en te verplaatsen. In dit stadium is het essentieel om de folie in alle hoeken en uitsparingen van de mal te krijgen. Als het vacuüm toeneemt, wordt de overtollige folie in de vouw in de hoek getrokken om te voorkomen dat de folie elkaar overlapt. Als je zeker weet dat de zak goed gepositioneerd is, kun je een volledig vacuüm trekken. Als het vacuüm volledig is, voer dan een lektest uit van minstens 10 minuten.

Nu de zak naar beneden is getrokken en met succes op lekkage is getest, kan hij in de oven worden geplaatst om uit te harden. Plaats de zak voorzichtig in de oven en zorg ervoor dat de zak niet kan blijven haken of haken aan de randen, waardoor er een gaatje ontstaat. Sluit de vacuümleiding aan in de oven en sluit de pomp aan op de assemblage buiten. U kunt nu de pomp laten draaien zodat de zak tijdens het uitharden onder volledig vacuüm blijft.

Sluit de ovendeuren, zet de oven aan en programmeer de cyclus die je wilt gebruiken. Onze OV301 oven heeft een eenvoudige touch-screen interface voor snelle programmering, al onze standaard uithardingscycli zijn voorgeprogrammeerd vanuit de fabriek.

Laat het onderdeel na het uitharden in de oven volledig afkoelen tot kamertemperatuur voordat u het ontvormt. Als u dit niet doet, kunnen er oppervlaktedefecten ontstaan en kan het cosmetische oppervlak van het onderdeel beschadigd raken. Haal het onderdeel uit de oven zodra het afgekoeld is en verwijder de beschermfolie. De loslaatfolie moet gemakkelijk los te trekken zijn. Gebruik in dat stadium wiggen of andere puntige voorwerpen om de randen van het onderdeel voorzichtig los te maken van de mal. Het kan nodig zijn om systematisch rond de mal te werken om het onderdeel gelijkmatig uit de mal te tillen totdat het loskomt.

Het ontvormde onderdeel moet dan alleen nog worden bijgesneden en afgewerkt met een geschikt roterend snijgereedschap en hardmetalen schuurgereedschap en -papier om het onderdeel een schone en mooie rand te geven. Het afgewerkte koolstofvezelonderdeel kan nu in gebruik worden genomen.