Een 3D-geprinte mal gebruiken om een koolstofvezel onderdeel te lamineren

In deze videotutorial werken we vanuit een 3D-geprinte mal, coaten we met een lossingsmiddel en lamineren we direct met de hand een onderdeel van koolstofvezel. Na uitharding wordt het onderdeel vrijgegeven, bijgesneden en gecoat met epoxycoatinghars voor een perfecte cosmetische afwerking.

Deze handleiding kan worden gevolgd om mallen te maken die geschikt zijn voor alle omgevingsuithardingsprocessen, zoals nat opleggen, vacuümzakken en harsinfusie.

• Hoe gebruik je een 3D-printer om direct een mal te printen die geschikt is voor verwerking bij omgevingstemperatuur?
• Hoe een eenvoudige handlayup in koolstofvezel uit te voeren
• Het afgewerkte onderdeel coaten voor een perfecte cosmetische afwerking

Bij typische composietprocessen wordt een patroon gemaakt om een mal van te maken, maar voor ontwikkelings- en prototype-onderdelen is het mogelijk om het maken van patronen over te slaan en direct een mal te maken met behulp van 3D-printtechnologie. Dit specifieke project is zo eenvoudig mogelijk gehouden om onderdelen te kunnen maken met een minimale investering in apparatuur. Bekijk enkele van onze andere projecten als u op zoek bent naar informatie over meer geavanceerde commerciële technieken.

We nemen een FDM-print met de barrières al gemodelleerd en coaten deze voordat we het koolstofvezelonderdeel maken met een eenvoudig handlay-up proces.

Voor niet-cosmetische onderdelen kunnen ze rechtstreeks uit de mal worden gebruikt, maar het oppervlak zal enigszins worden aangetast door de resolutie van de afdruk en de beperkingen van een handlay-up proces. Om de afwerking op een perfect niveau te brengen kan het onderdeel gecoat worden met XCR coatinghars en daarna gevlakt en gepolijst worden tot een hoogwaardige afwerking.

Er zijn veel verschillende printmaterialen die gebruikt kunnen worden voor het maken van mallen, maar we raden sterk het gebruik van PETG aan, dit biedt goede inherente lossingseigenschappen met epoxyhars en is gemakkelijk verkrijgbaar en gemakkelijk te printen. In het bijzonder ABS moet worden vermeden als een direct mal materiaal, omdat, hoewel niet onmogelijk, het krijgen van een goede release van epoxyhars problematisch kan zijn.

Na het afdrukken moet de mal worden voorbereid met een lossingsmiddel. Het meest betrouwbare lossingsmiddel om in dit proces te gebruiken is PVA lossingsmiddel, dit zorgt voor een goede nivellering van de lagen en een betrouwbare lossing van de epoxyhars.

Een mal geprint in PETG en voorzien van een release coating met PVA is compatibel met de meeste conventionele harssystemen zoals epoxy polyester en vinylester. Over het algemeen zijn mallen die op deze manier zijn gemaakt het meest geschikt voor hand layup verwerking (met of zonder vacuümzak). Het is ook mogelijk om deze te verwerken met behulp van harsinfusie, maar omdat 3D-prints over het algemeen niet 100% luchtdicht zijn, kan het nodig zijn om een envelop bagging methode te gebruiken. Mallen gemaakt met dit proces zijn niet geschikt voor uitharding bij verhoogde temperaturen zoals gebruikt bij prepreg productie, zelfs als de HDT van de PETG theoretisch niet wordt overschreden, hebben we in de praktijk ondervonden dat de spanning van de vacuümzak leidt tot overmatige kromtrekking en vervorming.

De 3D-geprinte mal maken

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 je kunt natuurlijk elke printer gebruiken die goed geconfigureerd is. Als je op zoek bent naar advies over 3d printen, bevelen we graag onze leverancier Dynamism aan.

We raden aan PETG-filament te gebruiken, omdat dit een uitstekende balans biedt tussen inherente lossende eigenschappen en nauwkeurigheid. Andere printmaterialen kunnen ook geschikt zijn, maar er moeten tests worden uitgevoerd om compatibiliteit met het proces te garanderen.

De 3D-geprinte mal coaten

PVA lossingsmiddel biedt een snel en effectief lossingsoppervlak op een 3D geprinte mal en hoewel lossingswas ook kan worden gebruikt in deze toepassing, biedt het over het algemeen niet hetzelfde gemak van lossing. Chemische lossingsmiddelen zijn meestal niet de beste optie in dit proces, omdat ze slechts een dunne film vormen en niet dienen om de druklagen te egaliseren.

Het koolstofvezelonderdeel lamineren

In dit project gebruiken we 3 lagen van onze populairste vezel, namelijk onze 210g 2/2 twill carbon, maar afhankelijk van je toepassing kan elke droge composietversterking worden gebruikt. De gebruikte hars is de EL2 lamineerepoxy die speciaal is ontworpen voor natte lay-up verwerking en uitstekende sterkte en wet-out prestaties biedt. De achterkant van het onderdeel wordt afgewerkt met onze voordelige peel-ply die zorgt voor een nette binnenkant.

Het koolstofvezelonderdeel coaten en afwerken

Voor zowel reparaties als coaten gebruiken we de XCR coatinghars die speciaal ontworpen is voor coating- en afwerkingstoepassingen zoals deze. Als void repair nodig is, is Flash release tape handig voor het maken van dammen en heb je een assortiment nat en droog papier nodig, zoals in onze Mirka combinatieverpakking, als je van plan bent het onderdeel vlak te maken en te polijsten. Als de afwerking is gevlakt, kan NW1 polijstpasta worden gebruikt om het onderdeel op volle glans te brengen.

De mallen moeten worden geprint inclusief eventuele flenzen of verlengstukken die nodig zijn om de lay-up te vergemakkelijken. We raden aan om PETG te gebruiken voor direct geprinte mallen, omdat dit een betrouwbare lossing geeft. Printen met een hogere resolutie zorgt voor een gladder maloppervlak dat makkelijker loslaat. In dit project hebben we geprint met de 'standaard' instellingen van CURA met een laaghoogte van 0,15 mm. Als het mogelijk is, is het het beste om het printen zo te oriënteren dat de lagen parallel aan de loslaatrichting van het onderdeel worden geprint. Dit vermindert de mechanische blokkade van het printoppervlak. Dit gezegd hebbende, zolang u een trekhoek van 5° of groter hebt, kunt u nog steeds een goede lossing krijgen, zelfs als de laaglijnen loodrecht op de loslaatrichting worden gepresenteerd.

Mallen die groter zijn dan het printvolume kunnen in delen worden geprint en dan aan elkaar worden geplakt met een geschikte lijm. Voor PLA zijn zowel cyanoacrylaat (superlijm) als epoxylijm erg effectief.

Hoewel PETG een inherente release biedt met epoxyharsen, is er vanwege de onregelmatigheid van het oppervlak en de afwerking die overblijft na het 3D-printproces nog steeds een lossingsmiddel nodig om ervoor te zorgen dat het onderdeel loskomt van de mal. We hebben ontdekt dat PVA een zeer snel en betrouwbaar lossingsmiddel biedt in dit proces. PVA wordt in één enkele laag aangebracht door een gelijkmatige laag over het oppervlak van de mal te vegen of te borstelen. Deze laag moet vrij dik zijn, maar niet zo dik dat het gaat uitlopen.

Na het aanbrengen moet je het PVA lossingsmiddel op kamertemperatuur laten drogen, meestal duurt dit ongeveer 30 minuten.

We lamineren het onderdeel met EL2 lamineerhars, dit moet eerst nauwkeurig en grondig gemengd worden met de verharder, om ervoor te zorgen dat er geen ongemengde hars achterblijft in de container is het het beste om de eerste pot in een tweede pot te gieten en opnieuw te mengen.

Voordat je de koolstof legt, moet de mal bedekt zijn met een laag hars. Als je met de hand lamineert moet je, waar mogelijk, de koolstof op de hars leggen en de stof van onderaf natmaken met hars. Dit zorgt voor een goede wet-out en vermindert het insluiten van lucht. Voor kleine ingewikkelde onderdelen zoals deze is een lamineerborstel meestal het enige gereedschap dat nodig is, maar voor grotere of vlakkere mallen kan een roller of rakel helpen bij het natmaken. Voor een natte lay-up streef je meestal naar een vezel-harsverhouding van 1 op 1, dus voor elke 100g vezel gebruik je ongeveer 100g hars.

Bij onderdelen met een dikte van minder dan 3 mm is het meestal mogelijk om alle lagen in één keer te lamineren. Bij dikkere onderdelen kan het nodig zijn om het lamineren in meerdere lagen te verdelen om de effecten van krimp en de mogelijkheid van een thermische runaway of 'exotherm' te verminderen.

In dit geval wordt na het leggen van de wapening een laag peel-ply gebruikt als laatste laag om de binnenkant van het onderdeel netjes af te werken. De uithardingstijd varieert afhankelijk van de verhardingssnelheid en de kamertemperatuur, maar ligt meestal tussen 12 en 48 uur.

LET OP: laat de gemengde EL2 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.

Het ontvormde deel moet dan alleen nog worden bijgesneden en afgewerkt om een schone en mooie rand aan het deel te geven. Voor dit onderdeel hebben we een Dremel gebruikt met een 32 mm Permagrit doorslijpschijf, wat een uitstekend allround doorslijpgereedschap is dat uren achtereen gebruikt kan worden. De randen zijn bijgewerkt met een schuurblok en afgewerkt met korrel 240.

Hoewel de onderdelen rechtstreeks uit de mal kunnen worden gebruikt, moet het onderdeel worden gecoat met een hars of blanke lak om een goede cosmetische afwerking zonder speldenprikken en printlaag-lijnen te krijgen. Om het onderdeel voor te bereiden moet het oppervlak worden gewassen met water om eventuele PVA van het oppervlak te verwijderen en vervolgens nat en droog worden geschuurd met korrel 400 om een goede ondergrond voor de coating te creëren.

Als je onderdeel holtes of grote gaatjes heeft, moeten deze worden opgevuld met hars. Voor grotere holtes kan een dam van flash release tape helpen om de hars tegen te houden zodat deze er niet uitloopt. Je kunt voor deze toepassing de EL2 lamineerhars of de XCR coatinghars gebruiken. Nadat de reparaties zijn gemaakt, moet je ze laten uitharden en daarna vlak schuren met korrel 400 om ze gelijk te maken met het oppervlak van het onderdeel.

Als het onderdeel is gefixeerd en gevlakt, kan het worden gecoat voor een gladde, glanzende en duurzame afwerking. Het zou mogelijk zijn om hiervoor een blanke lak voor auto's te gebruiken, maar in dit project gebruiken we de XCR-coatinghars die een zeer duurzame afwerking geeft en gemakkelijk met een kwast kan worden aangebracht.

Je hebt ongeveer 300 gram per vierkante meter nodig voor elke laag die je aanbrengt, in de praktijk zul je voor kleine onderdelen meer moeten mengen 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.

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.

Afhankelijk van de afwerking die de eerste laag heeft achtergelaten, kan een tweede laag nodig zijn als onregelmatigheden in het oppervlak niet zijn bedekt. Deze tweede laag moet worden aangebracht als de eerste laag het B-fase heeft bereikt; voor XCR is dit meestal 3 uur, maar dit varieert 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.

Laat de hars nu volledig uitharden, wat afhankelijk van de temperatuur 12-24 uur duurt. Totdat de hars volledig is uitgehard, is XCR zeer gevoelig voor vocht, dus zorg er absoluut voor dat de hars volledig is uitgehard voordat je gaat natschuren.

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.

Als je tevreden bent met het resultaat van de XCR coating, kun je het onderdeel gebruiken zoals het is, maar over het algemeen verdient vlakken en polijsten de voorkeur omdat het een consistentere en professionelere afwerking geeft.

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 polijstbewerking, hiervoor gebruiken we polijstpasta NW1, die speciaal is ontworpen voor composietharsen. Tenzij je onderdeel 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 polijstmiddel te brengen. Na het polijsten kun je de laatste resten van het compound wegvegen met een microvezeldoek, wat een spiegelend polijstmiddel zou moeten onthullen!