Hoe Gesmede Koolstofvezelonderdelen Persen

In deze videotutorial maken we hoogwaardige, massief gesmede koolstofvezelonderdelen met behulp van een compressievormmethode op omgevingstemperatuur. We werken met 2 soorten mallen: een gietmal van hars en een 3D-geprinte mal.

Deze handleiding kan worden gevolgd om gesmede koolstofvezelonderdelen te maken die de prestaties van metalen in veel toepassingen evenaren of zelfs overtreffen en behandelt de volgende onderwerpen:

• Ontwerp van compressiemallen
• Geschikte materialen voor matrijzenbouw
• Vormvoorbereiding en aanbrengen van lossingsmiddel
• Vezel- en harshoeveelheden berekenen
• Lamineren/laadmethoden
• Compressiemethoden voor matrijzen
• Ontvormen en afwerken

Gesmede koolstofvezel is de term die wordt gebruikt om korte of 'gehakte' strengen koolstofvezel te beschrijven die worden samengeperst in meerdelige matrijzen om sterke vaste geometrieën te creëren die niet praktisch zouden zijn met conventionele composietprocessen.

Er zijn 2 fundamentele benaderingen voor het maken van een gesmeed koolstof onderdeel, de ene is het gebruik van een vooraf geïmpregneerd (prepreg) gehakseld touw en dit gieten onder hitte en druk, de andere is het gebruik van een droog vezel en vloeibaar harssysteem en gieten onder druk maar zonder hitte. Deze projectgids richt zich op de laatste, maar het algemene principe en de principes van matrijsontwerp zijn gemeenschappelijk voor beide materiaalsoorten.

Onderdelen die met deze methode zijn vervaardigd, hebben volledig gegoten oppervlakken, kunnen verschillende wanddiktes hebben en bieden uitstekende mechanische prestaties die in veel toepassingen kunnen worden gebruikt in plaats van metalen om het gewicht te verlagen.

Compressiematrijzen bestaan uit 2 of meer delen die in elkaar passen en een holte vormen waarin het onderdeel wordt gevormd. In bijna alle gevallen is de matrijs blokvormig om stevigheid te bieden en het klem- of compressieproces praktisch te maken.

De belangrijkste overweging bij het ontwerpen van matrijzen voor dit proces is om een telescopisch deel op te nemen waarbij het mannelijke gereedschap tijdens het sluiten als een zuiger in een cilinder werkt. Hierdoor is er ruimte om de niet-gecomprimeerde vezel te laden en tijdens het sluiten wordt overtollig hars door de scheidingslijn naar buiten geperst, maar omdat het zeer nauw aansluit, kan de vezel niet ontsnappen waardoor je de juiste vezel/harsverhouding houdt. Dit telescopische of 'zuigerachtige' element moet diep genoeg zijn om de mal te laten sluiten voordat de vezel wordt verstoord. De exacte grootte van dit element hangt af van de vorm en het ontwerp van de mal, maar een algemene regel is dat het element minstens 25% van de diepte van het uiteindelijke onderdeel moet bedragen. In het geval van een 2-delige matrijs heeft deze vorm een lichte trekhoek van 2-3 graden nodig om de matrijs gemakkelijk te kunnen scheiden. Bij meerdelige matrijzen is het vaak mogelijk om de matrijs zo te ontwerpen dat deze kan worden gescheiden van een volledig parallelle 'zuiger'.

Voor volumeproductie worden compressiematrijzen voor dit proces over het algemeen gemaakt van machinaal bewerkt aluminium of staal. Deze matrijzen bieden uiteraard een uitstekende sterkte en duurzaamheid, maar zijn duur om te produceren, waardoor ze minder geschikt zijn voor kleine series en prototypes.

Een alternatief voor billet metalen gereedschappen zijn epoxy gietgereedschappen. In dit project gebruiken we gietgereedschappen die gegoten zijn in TC80 giethars. Dit voorbeeld is gemaakt door de gietstukken van een bestaand spuitgietonderdeel te nemen, maar het kan ook gegoten worden van een conventioneel patroon of een 3D-print. De resulterende gereedschappen van giethars zijn zeer sterk en duurzaam en zouden tientallen, zo niet honderden onderdelen moeten kunnen produceren zonder overmatig te slijten. Zie voor meer informatie over deze gereedschapsmethode ons project giethars compressiegereedschap.

Een andere tooling methode die we in dit project zullen gebruiken is direct 3D geprinte PETG plastic tooling. Hoewel dit niet de sterkte en duurzaamheid van massieve mould tooling biedt, heeft het wel het voordeel dat het erg goedkoop en snel te produceren is en erg handig kan zijn voor kleine series en eenmalige prototypes. Door dit proces te gebruiken met een 3D geprinte mal kun je effectief onderdelen produceren met echt hoge mechanische prestaties zonder verdere specialistische apparatuur of tooling. Hiervoor hebt u 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 u kunt natuurlijk elke printer gebruiken die goed is geconfigureerd. Als u op zoek bent naar advies over 3D-printen, bevelen we graag onze leverancier Dynamism aan. Hoewel er ook andere filamenten kunnen worden gebruikt, hebben we gemerkt dat PETG goede lossende eigenschappen heeft en nauwkeurig en gemakkelijk te printen is, waardoor het een uitstekende keuze is. Bij het printen van compressiematrijzen moet de vulling ongeveer 75% of hoger zijn om voldoende sterkte en stijfheid te bieden tijdens het comprimeren. Ook het gebruik van een laaghoogte van 0,15 mm of minder zorgt voor een beter oppervlak voor het loslaten.

Klanten die willen experimenteren met de echte mallen die in de video worden getoond, kunnen de CAD-bestanden van de gesmede koolstofvezel compressiemallen downloaden die de remhendel-, schakelpaddle- en drijfstangmallen bevatten in zowel IGES- als STL-bestanden; let op: de STL-bestanden zijn één bestand per malsectie.

Lossingsmiddel
RW4 high build spray release wax is het aanbevolen lossysteem voor compressievormen bij omgevingstemperatuur. Dit lossingsmiddel presteert bijzonder goed bij het van elkaar losmaken van harde vormen en gietstukken omdat het een dikke barrière vormt die relatief zacht is en dus een beetje kan bewegen tijdens het losmaken indien nodig.

Fileerwas
Fileerwas en/of plasticine is vaak nuttig voor het afdichten van schroefdraad op boutdraden van matrijzen of voor het opvullen en afdichten van uitwerpgaten in de matrijs.

Gehakt touw
CT12 gesneden touw is perfect geschikt voor dit proces, het heeft strengen van 12 mm lang die een geweldige balans bieden tussen vormbaarheid en sterkte.

Epoxyhars
Het IN2-hars blijkt een uitstekende wet-out en vloei te bieden in dit proces, wat cruciaal is voor succesvol gieten.

De mallen moeten worden geïnspecteerd en gecontroleerd op mogelijke ondersnijdingen of onvolkomenheden die een probleem kunnen vormen bij het vrijgeven. In het geval van een 3D-geprinte mal is het mogelijk dat het schaven van de hoeken met een mes de nauwkeurigheid van de sluiting verbetert. Zodra de mallen zijn gecontroleerd, kan het lossingsmiddel worden aangebracht.

De RW4 spraywax wordt aangebracht door een dunne laag over de mal te spuiten en deze ongeveer 5-10 minuten te laten drogen en dan opnieuw aan te brengen. Meestal zorgen 3 of 4 dunne lagen voor voldoende lossing, probeer de wax niet in één dikke laag te spuiten omdat het dan veel langer duurt om meerdere dunnere lagen te drogen. Het lossingsmiddel moet op alle oppervlakken en de scheidingsvlakken van de mal worden aangebracht, omdat de hars hier tijdens het comprimeren in zal drijven.

Eventuele uitwerpgaten in de mal moeten nu worden afgedicht met vullingswas, deze moeten stevig worden opgevuld tegen een harde stop omdat ze anders door de druk van het gietproces naar buiten worden geperst. Van alle bouten in de mal moet de schroefdraad worden gevuld met vulwas om te voorkomen dat ze vastkleven in de mal.

Het nauwkeurig berekenen van de juiste vezelbelasting voor de mal is waarschijnlijk de belangrijkste factor om dit proces tot een succes te maken. De eerste stap in het berekenen van de benodigde hoeveelheid vezel is om eerst het volume van het afgewerkte onderdeel te weten. Als er vanuit CAD wordt gewerkt, is dit heel eenvoudig en kan het worden opgezocht in het eigenschappenvenster van een solid body. In het geval van matrijzen die zijn gemaakt van een bestaand onderdeel, wordt het volume meestal berekend door het originele onderdeel te wegen, te refereren aan de dichtheid van het materiaal waarvan het is gemaakt en op basis daarvan het volume te berekenen. Als we bijvoorbeeld een spuitgegoten onderdeel hebben dat 100 gram weegt en is gemaakt van nylon 6 met 30% glasvezel (PA6 GF30), dan is de dichtheid hiervan 1,3 gram per kubieke centimeter, dus onderdeelgewicht / dichtheid = volume of 100 / 1,3 = 76,92.

Zodra het volume van het onderdeel bekend is, kan het gewicht van het afgewerkte gesmede carbon onderdeel worden berekend. Voor een snelle berekening op basis van een bekend volume kun je een vereenvoudigde methode gebruiken waarbij 0,84 g/cc wordt gebruikt voor de berekening van je vezel, maar om de reden beter uit te leggen wordt de volgende basismethode gebruikt: De dichtheid van gesmede koolstofvezel is meestal 1,4 g/cc, dus in ons vorige voorbeeld dichtheid * volume = onderdeelgewicht dus 1,4 * 76,92 = 107,69

Nu we het uiteindelijke gewicht van het onderdeel hebben, kunnen we de hoeveelheid vezel berekenen die nodig is om de optimale verhouding vezel/hars te verkrijgen. Voor dit proces is de verhouding meestal 60/40 (vezel/hars) op basis van gewicht. We kunnen dus de hoeveelheid vezel berekenen die we nodig hebben door simpelweg het gewicht van het afgewerkte onderdeel te vermenigvuldigen met 0,6, dus in ons voorbeeld: 107,69 * 0,6 = 64,61 g CT12 vezel.

De benodigde vezel moet nauwkeurig worden afgewogen in een aparte container die vervolgens kan worden gebruikt tot hij leeg is bij het lamineren van het onderdeel.

De benodigde hoeveelheid IN2-hars kan snel worden geschat door een batch te mengen die 25% zwaarder is dan de berekende hoeveelheid vezel, dus in ons voorbeeld hebben we vezelgewicht 64,61 * 1,25 = 80,76 g IN2-hars (gemengd). Deze eenvoudige methode geeft je het overschot aan hars dat nodig is voor dit proces, veel van deze hars zal er tijdens het proces uitgeperst worden, het uiteindelijke onderdeel zelf zal 43,08g hars bevatten[107,69(eindgewicht) - 64,61(vezelgewicht) = 43,08g] afhankelijk van de grootte en complexiteit van het onderdeel dat je produceert kan je extra hars nodig hebben om het onderdeel effectief te lamineren, dit kan naar behoefte gemengd worden tijdens het lamineren.

De hars mag alleen direct voor gebruik worden gemengd, zoals met alle epoxies is nauwkeurig afwegen en mengen volgens de instructies essentieel.

Lamineren in dit gesmede proces is eigenlijk vergelijkbaar met een typisch natlijmproces; op de mal moet eerst een dunne laag hars worden aangebracht met een borstel, dit helpt om de eerste laag vezel te hechten en zorgt ervoor dat het hele oppervlak goed nat wordt. De vezel moet dan lichtjes over het oppervlak worden gestrooid en worden geconsolideerd en bevochtigd door met een borstel te vegen tot de vezel verzadigd is en vervolgens worden herhaald tot de malholte gevuld is. Stomp gereedschap of 'dibbers' zijn vaak handig om de vezel in krappe en gedetailleerde gebieden te drukken. Tijdens dit proces lijkt het alsof er meer vezel is dan in de mal past en is de holte te vol. Dit is normaal en wordt tijdens het comprimeren in de holte geperst.

Als alle vezels in de matrijzen zijn geladen, kunnen ze worden gesloten en samengedrukt. Voor kleinere matrijsgereedschappen biedt een bankschroef of G-klemmen voldoende klemdruk, voor grotere matrijzen kan een pneumatische of hydraulische pers geschikt zijn. Als de matrijs is samengedrukt is het belangrijk om de matrijs langzaam te sluiten, vooral bij kwetsbaardere matrijzen zoals die zijn geprint. De reden om langzaam te sluiten is om de hars de tijd te geven in de holte te stromen en overtollige hars eruit te laten lopen. Als de mal te snel gesloten wordt, kan dit een hydraulische vergrendeling veroorzaken waardoor er een enorme kracht op de mallen komt te staan die ze mogelijk beschadigen. In de meeste gevallen kunnen de gereedschappen geleidelijk worden vastgeklemd in ongeveer 5 minuten. Zodra de gereedschappen elkaar volledig raken of 'op de bodem' liggen, moet het onderdeel onder druk blijven totdat het harssysteem is uitgehard.

Na het ontvormen blijft er wat spatten achter bij de deellijnen. Dit kan snel verwijderd worden met een scherp mes of schuurpapier, resten losmiddel kunnen effectief verwijderd worden met matrijzenreiniger of een vergelijkbaar oplosmiddel. Hoewel deze onderdelen bijna al hun potentiële structurele prestaties direct uit de mal hebben, kan een verwarmde post-cure worden uitgevoerd om de eigenschappen van de hars te maximaliseren. Raadpleeg het technische informatieblad van de IN2 voor meer informatie.

Het onderdeel kan direct uit de mal volledig worden gebruikt, maar als het onderdeel bedoeld is voor een cosmetische toepassing, kan een glanzende afwerking met blanke lak de voorkeur hebben. Deze kan worden gespoten met een 2k blanke lak of met een kwast worden aangebracht met XCR-coatinghars. Om een van deze afwerkingen voor te bereiden, moeten de onderdelen voor het aanbrengen worden geslepen en vlak worden gemaakt met 400 grit nat en droog.

Een andere afwerkingsmogelijkheid waarbij geen extra coating nodig is, is om het ruwe ontvormde deel vlak te schuren tot een fijne korrel 1200 en vervolgens een polijstmiddel met autowas aan te brengen voor een ruwe satijnen afwerking.