Onderzoek Naar de Mechanische Prestaties van 'Gesmede' Koolstofvezelcomponenten

Allereerst wil ik erop wijzen dat uw onderdeel wel erg groot is voor een gesmeed koolstofvezelproces zoals wij dat demonstreren. Dat wil niet zeggen dat het niet mogelijk is, maar we hebben nog nooit geprobeerd om iets van dit volume te maken met een gesmeed koolstofproces.

Eigenlijk denk ik dat we je vraag over de vezelberekening al volledig hebben beantwoord in de beschrijving op de gesmede koolstofvezel videoprojectpagina. Aangezien je het volume van het onderdeel al weet (vanuit CAD), is je werk nog eenvoudiger.

Dit zou in ieder geval de berekeningen moeten dekken. Het laatste wat ik zou zeggen is om misschien wat kleiner te beginnen! Het is altijd de moeite waard om een proces te leren, wat fouten te maken en dan misschien zelfs je ontwerp te veranderen voor de grote gereedschappen als je wat ervaring hebt opgedaan.

Uit onze eigen experimenten is gebleken dat tegen de tijd dat je de optimale vezeldichtheid hebt bereikt, vacuüm-infusie alleen niet voldoende is om de hars goed door de vezel te persen. Het wordt niet geholpen door het feit dat gehakte koolstof touw van nature nog steeds unidirectionele vezels zijn die de neiging hebben zich zo dicht op elkaar te nestelen dat ze sowieso moeilijk te infuseren zijn (in vergelijking met geweven stoffen waar de hars gemakkelijker door de 'knopen' kan passeren waar de inslag- en scheringdraden elkaar kruisen). In werkelijkheid zou je meer druk nodig hebben dan vacuüm alleen kan bieden (d.w.z. 1 bar) en dus zou je extra positieve druk nodig hebben om de hars door de wapening te duwen in een proces dat meer lijkt op volledig gevlogen RTM. Je zou kunnen experimenteren met het verkleinen van de vezelfractie (d.w.z. minder vezels in de holte stoppen) om de wapening beter bruikbaar te maken, maar dit zal natuurlijk de prestaties van het onderdeel dienovereenkomstig verminderen.

Wat betreft het gebruik van een vacuümzak in plaats van klemmen om gelijkmatige compressiedruk op de malhelften uit te oefenen, dit zou mogelijk kunnen zijn, maar er zijn een paar dingen waar je rekening mee moet houden. Ten eerste zijn onderdelen die te groot zijn om echt vast te klemmen waarschijnlijk toch geen geschikte kandidaten voor een persgietproces met gesmeed koolstofvezel. Ten tweede kan een onvoorzien gevolg van het gebruik van een vacuümzak om de malhelften samen te drukken ervoor zorgen dat kleine luchtleemtes of luchtzakken in het laminaat veel grotere luchtleemtes/zakken in het laminaat worden, waardoor het effectief caviteert. Als de hars onder vacuüm in de wapening is ingebracht (problematisch, hierboven besproken), dan zou deze cavitatie geen potentieel probleem zijn, maar als het conventionele proces is gevolgd en het vacuüm alleen is gebruikt om de mal samen te drukken, dan heeft het vezel/harsmengsel waarschijnlijk een hoeveelheid ingesloten lucht die onder vacuüm uitzet en mogelijk holtes in de mal veroorzaakt.

Als je experimenteert met een van deze twee dingen, deel dan zeker je resultaten en ervaringen!

Het is vrij moeilijk om specifieke maximum- en minimumafmetingen te geven voor de totale grootte en wanddikte van onderdelen omdat de vorm en geometrie van een onderdeel een aanzienlijke invloed heeft op deze andere parameters, net als de sterkte van de matrijs en de klemkracht. Om een indicatie te geven, suggereren we dat de dikte minimaal 1 mm en maximaal 10 mm moet zijn. De totale grootte van een onderdeel hangt echt af van de praktische aspecten van de matrijzen en de kleminrichting, maar nogmaals, misschien 500 mm x 500 mm. Als het gaat om de schaal van details die kunnen of moeten worden toegevoegd, zijn er niet echt beperkingen, behalve het feit dat je waarschijnlijk wat moet schuren en vijlen van de afgewerkte onderdelen en dus elk detail kleiner dan, laten we zeggen, 0,5mm moet waarschijnlijk worden vermeden omdat het waarschijnlijk wordt uitgewreven of verzacht door het afwerkingsproces.

Er zijn al veel mechanische gegevens beschikbaar voor conventioneel geproduceerde composietmaterialen. Een directe vergelijking is echter niet echt mogelijk omdat de methoden over het algemeen verschillende toepassingen hebben. De remhendel is bijvoorbeeld een massief dik object dat niet ideaal is voor conventionele composiet lay-up, en dunne conventionele composiet panelen zijn niet ideaal voor een gesmede carbon lay-up door deze doe-het-zelf methoden. Het is dus niet eenvoudig om een directe vergelijking te maken die zinvol is.

Er zijn een aantal verschillende vezelversterkte filamenten op de markt met verschillende basiskunststoffen en formaten voor de gebruikte vezels. Ik ben het ermee eens dat het een interessante vergelijkingsvideo zou zijn om de verschillende soorten filamenten te testen. Hoewel het vanuit het perspectief van Easy Composites misschien een beetje te diep op de 3D-printkant ingaat voor een brede vergelijkingsvideo. Het is echter goed mogelijk dat er al video's en reviews op sociale media staan voor de verschillende soorten filamenten in de 3D-printgemeenschap.

Ja, absoluut. De sterkte van een composiet onderdeel komt niet van de spanning waaronder de wapening staat wanneer het gelamineerd wordt. Druk bij de productie van composietonderdelen (zoals vacuüm of autoclaaf) dient voornamelijk om de wapening te consolideren, het harsgehalte te verlagen (d.w.z. vezelfractie verhogen) en het leegtegehalte te verlagen. Het doel is niet om spanning op de wapening te zetten.

Nou, als we het logisch bekijken, als de touw lang genoeg worden dan kom je op een punt waar je een ongerichte versterking hebt die inderdaad erg sterk zou zijn en we weten dat gefreesde koolstof (um in lengte) erg weinig bijdraagt aan de sterkte dus er is duidelijk een sterke correlatie tussen sterkte en vezellengte. Er is echter ook een praktische overweging, want we weten dat continue vezellengte niet goed werkt in dit compressievormproces omdat de vezels niet kunnen migreren en zichzelf kunnen herverdelen in de matrijsholte. De grootte en vorm van de mal bepalen dit in grote mate; in een kleinere, complexere mal (zoals de remhendel) wordt zelfs de 12 mm touw verhinderd om zich willekeurig te oriënteren door de geometrie van de mal. In dit geval is het waarschijnlijk een goede zaak (meer vezels sturen om uit te lijnen in de nul-as), maar in andere gevallen misschien niet. Voor een grotere mal zijn langere draden misschien OK, maar zulke onderdelen zijn waarschijnlijk toch beter te maken met geweven doek.

Hoi Rolf, het kan nog wel even duren voordat we dit materiaal verder kunnen testen, maar er zijn inderdaad een aantal andere eigenschappen die interessant zouden zijn om beter te kunnen bepalen. Temperatuur is denk ik een stuk eenvoudiger te voorspellen; als we binnen de Tg van het gebruikte harssysteem blijven, blijven de resultaten vrijwel onveranderd ten opzichte van de omgevingsresultaten. Voor het IN2-harssysteem zou de Tg 92°C zijn, dus daaronder zou het materiaal zich volgens de tests gedragen. Als je een hogere gebruikstemperatuur nodig hebt, kun je een harssysteem voor hoge temperaturen gebruiken, zoals ons EL160. Dit kan de Tg verhogen tot meer dan 160°C en heeft nog betere mechanische eigenschappen dan IN2. Zeker bij deze temperatuur zou je een ineenstorting in de eigenschappen van de 3D prints hebben gezien, maar zeer weinig effect op het aluminium.

Het komt zelden voor dat je een onderdeel dikker wilt maken met dezelfde hoeveelheid wapening. Aangezien de wapening (zoals koolstof) een lagere dichtheid heeft dan de hars en verreweg het grootste deel van de sterkte en stijfheid levert, is het altijd goed om een zo hoog mogelijke vezelfractie te behouden. Daarom zijn directe vergelijkingen tussen een dikker laminaat met een lagere vezelfractie en een dunner laminaat met een hogere vezelfractie vrij betwistbaar. In het algemeen zou ik echter meer stijfheid (buigmodulus) verwachten van het dikkere laminaat, maar een lagere buigsterkte. De totale treksterkte is eenvoudiger te begrijpen - de dikkere component zou een iets hogere treksterkte hebben omdat zelfs hars iets bijdraagt aan de treksterkte en dus als je de dwarsdoorsnede negeert (wat in jouw geval, nogal ongebruikelijk, zo is) dan zou er inderdaad een iets grotere kracht nodig zijn om de component te breken als deze dikker is met meer hars. Als je echter rekening houdt met de dwarsdoorsnede zou je de treksterkte aanzienlijk verminderen.

De overwegingen zijn vergelijkbaar met de overwegingen die gelden voor de plaatsing van unidirectionele koolstofvezels in een conventionelere lay-up. Hoe meer unidirectionele vezels je toevoegt, hoe sterker en stijver je onderdeel in die richting zal zijn, maar ten koste van de stijfheid in andere richtingen. Voor het gesmede carbonproces zou er ook een bovengrens zijn aan de hoeveelheid unidirectionele touw die je kunt toevoegen (in verhouding tot de gehakte hoeveelheid) voordat er niet voldoende korte streng touw is om zich onder druk in de mal te herverdelen. Afgezien daarvan, als je een specifieke belastingsrichting hebt, hoe meer eenrichtings touw je in die richting toevoegt, hoe beter!

Er zijn nog steeds veel toepassingen waarbij aluminium een beter materiaal zou zijn, zoals anderen al hebben opgemerkt zou de faalwijze van aluminium het nog steeds een betere keuze maken voor bijvoorbeeld een remhendel, maar er zijn natuurlijk ook veel situaties waarin je op zoek bent naar een pure sterkte-gewichtsverhouding en in dat geval is carbon (in de een of andere vorm) de voor de hand liggende keuze.

Wat betreft het niet verslaan van aluminium door Markforged, is het belangrijk om te onthouden dat het een stuk minder dicht is en dus is het Markforged onderdeel tijdens de test lichter dan het aluminium. Als je het op hetzelfde gewicht zou maken, zou het sterker zijn (zij het iets groter). Als je kijkt naar de gewichten en dichtheden van deze materialen (hierboven opgesomd) kun je ook hun 'specifieke' eigenschappen vergelijken (die rekening houden met het gewicht).

Hallo, bedankt voor je bericht en bedankt dat je een bestelling bij ons hebt geplaatst. Wat betreft het modelleren van de gesmede koolstofvezel, is het met de beschikbare gegevens (en het huidige kennisniveau over het onderwerp) waarschijnlijk niet mogelijk om dit materiaal nauwkeurig te modelleren. Zelfs onze eigen gegevens zijn niet toereikend en moeten worden uitgevoerd volgens een erkende testnorm om bruikbaar te zijn in een FEA-analyse. Dit is misschien een goed onderwerp voor jou of een van je collega's om verder naar te kijken!

Geen probleem, graag gedaan. Ik denk dat we ervan uitgingen dat vergelijkingen tussen de mechanische eigenschappen van verschillende 3D-printfilamenten waarschijnlijk al vrij goed waren behandeld, aangezien deze materialen overal verkrijgbaar zijn en hun prestaties ten opzichte van elkaar de bron zijn van veel discussie en discussie. Desalniettemin zie ik dat een pure PLA/ABS print, getest op onze apparatuur onder onze omstandigheden interessant zou zijn, vooral om te zien of de gefreesde koolstof in de Onyx echt veel doet om een standaard filament onder deze omstandigheden te verbeteren. Als we de kans krijgen, zullen we kijken of we deze gegevens aan het rapport kunnen toevoegen.

Bedankt, fijn dat je het leuk vond. De kracht in MPa/GPa hebben we al gedaan. Als je het bovenstaande rapport doorleest, hebben we Kg en kracht vermeld. Er is ook aanvullende informatie over gewicht en dichtheid, zodat je ook 'specifieke' vergelijkingen kunt maken.

Nou, ervan uitgaande dat je een mal moet 3D-printen en vervolgens je gesmede carbononderdeel moet gieten, dan zou een conventioneel 3D-geprint onderdeel (zoals de Onyx) meteen al veel goedkoper zijn. Wat betreft de Markforged, de printers zelf zijn in de £20k/€25/$30 regio en we hebben er geen dus hebben we betaald om het Markforged onderdeel te laten printen. Dat kostte meer dan £100/€125/$150. Je kunt de mallen zeker in PLA printen en onze hele Forged Carbon Kit kopen (waarmee je 30 van deze onderdelen kunt maken) voor minder geld. De grondstofkosten in het voorbeeld van de remhendel bedragen waarschijnlijk minder dan £1/€1,25/$1,50 aan materialen.

Bedankt voor je commentaar Jeremiah. Je snijdt een heel interessant punt aan; hoewel het inderdaad interessant zou zijn om te zien hoe het onderdeel eruit zou zien als het met een natgelaagde vacuümzak zou worden gemaakt, zou het eigenlijk heel moeilijk zijn om het onderdeel op deze manier te maken. Het specifieke voordeel van het gesmede koolstofproces is de mogelijkheid om massieve koolstofvezelvormen te persen. Zulke vormen zijn eigenlijk niet erg praktisch om te maken van geweven stof en een vacuümzak. Om te beginnen zouden we voor een solide 3D-vorm als deze waarschijnlijk toch een tweedelige compressiemal moeten gebruiken, wat betekent dat zelfs als we een geweven stof zouden gebruiken, het proces meer zou lijken op compressiegieten met een geweven doek. Onze testen toonden aan dat het gebruik van doorlopende wapening in een matched-tool compressiematrijs resulteerde in een hoge mate van voiding (of op zijn minst zeer harsrijke gebieden) omdat de doorlopende vezel niet kan migreren en zichzelf onder druk kan herverdelen in de matrijsholte op dezelfde manier als de korte streng gesneden touw dat kan. Desalniettemin ben ik het ermee eens dat het interessant zou zijn om het resultaat te zien en te vergelijken, zelfs als we verwachten dat het onderdeel gebreken zou vertonen.

Plotselinge botsingen kunnen een andere reactie oproepen bij materialen en daarom bestaan er ook specifieke botsproeven. We hebben geen impacttester maar we hebben wel een ad-hoc impacttest gemaakt voor een van onze vorige materiaaltestvideo's (onderdeel van het 'Dark Ice Project' waarin we de impactsterkte van verschillende materialen zoals koolstofvezel, Kevlar, Diolen, Dyneema enz. testten). Hoewel het een complex onderwerp is, kun je veel voorspellen over de slagvastheid van een materiaal op basis van de uiteindelijke sterkte, de rek en de bezwijkmodus in trek- en 3-puntsbuigtests.

Bedankt voor de feedback Adam, het is geweldig om te horen dat je genoten hebt van dit onderzoek. De beste manier om metalen inzetstukken met schroefdraad (of inzetstukken in het algemeen) op te nemen is indien mogelijk tijdens het gietproces, op deze manier worden ze ingekapseld en vastgehouden door vezels en hars, wat sterker is dan lijmen alleen.

Je hebt helemaal gelijk dat het verwijderen van uitlijn-/insteldebouten moeilijk kan zijn. We raden je aan om de tapeinden in te smeren met een dik filmvormig losmiddel, zoals spraywax of zelfs minerale gelei (vaseline). Als je de tapeinden vlak kunt maken zodat je ze kunt draaien om ze los te breken en draaien om ze eruit te halen, kan dat ook helpen.