Hoe je Gesmede Koolstofvezelcomponenten Comprimeert

In deze video tutorial maken we hoogwaardige, solide gesmede koolstofvezel componenten met behulp van een compressiemethode bij omgevingstemperatuur. We werken met 2 soorten mallen; een hars gegoten mal en een 3D geprinte mal.

Deze tutorial kan worden gevolgd om gesmede koolstofvezel onderdelen te maken die de prestaties van metalen in veel toepassingen evenaren en zelfs overtreffen, en behandelt de volgende onderwerpen:

• Ontwerp van compressiemallen
• Geschikte materialen voor de constructie van mallen
• Voorbereiding van de mal en aanbrengen van lossingsmiddel
• Berekenen van de hoeveelheden vezel en hars
• Lamineren/laadmethoden
• Methoden voor het comprimeren van de mal
• Lossen en afwerken

Gesmeed koolstofvezel is de term die is aangenomen om korte of ‘gehakte’ strengen koolstofvezel te beschrijven die in een meerdelige mal worden geperst om sterke, solide 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 pre-impregneerd (prepreg) gehakte touw materiaal en dit onder hitte en druk te vormen, de andere is het gebruik van een droge vezel en vloeibare hars systeem en te vormen onder druk, maar zonder hitte. Deze projectgids zal zich richten op de laatste, maar het algemene principe en de ontwerp principes voor de mal zijn hetzelfde voor beide materialen.

Componenten die met deze methode zijn vervaardigd, hebben volledig gevormde oppervlakken, kunnen variërende wanddiktes hebben en bieden uitstekende mechanische prestaties die in plaats van metalen kunnen worden gebruikt om het gewicht in veel toepassingen te verminderen.

Compressiemal gereedschappen bestaan uit 2 of meer delen die samenkomen en een holte achterlaten waar het onderdeel wordt gevormd. In bijna alle gevallen zal de mal een ‘blok’-achtige vorm hebben om sterkte te bieden en het klem- of compressieproces praktisch te maken.

De belangrijkste overweging bij het ontwerpen van gereedschap voor dit proces is het opnemen van een telescopisch gedeelte waarbij het mannelijke gereedschap als een zuiger in een cilinder fungeert tijdens het sluiten. Dit biedt ruimte om de niet-samengeperste vezel te laden en tijdens het sluiten wordt overtollige hars door de scheidingslijn geperst, maar omdat deze zeer nauwsluitend is, kan de vezel niet ontsnappen, waardoor u de juiste vezel-harsverhouding overhoudt. Dit telescopische of ‘zuigerachtige’ element moet diep genoeg zijn om de mal te laten sluiten voordat de vezel wordt verstoord. De exacte grootte van deze functie is afhankelijk van de vorm en het ontwerp van de mal, maar een algemene regel dat de functie minstens 25% van de diepte van het uiteindelijke onderdeel beslaat, zou een goede schatting zijn. In het geval van een tweedelige mal vereist deze functie een lichte lossingshoek van 2-3 graden om de mal gemakkelijk te kunnen scheiden. Bij meerdelig gereedschap is het vaak mogelijk om de mal zo te ontwerpen dat deze kan worden gescheiden van een volledig parallelle ‘zuiger’-functie.

Voor de productie van compressiemallen in grote volumes worden deze over het algemeen vervaardigd uit bewerkt aluminium of staal. Deze bieden uiteraard een uitstekende sterkte en duurzaamheid, maar zijn duur om te produceren, waardoor ze minder geschikt zijn voor kleine oplages en prototyping.

Een alternatief voor gereedschappen van massief metaal is gereedschap dat is gegoten met epoxyhars. In dit project gebruiken we mallen die zijn gegoten in TC80 tool-cast hars. Dit voorbeeld is gemaakt door de gietstukken van een bestaand spuitgegoten onderdeel te nemen, maar dit zou ook kunnen worden gegoten van een conventioneel patroon of een 3D-print. De resulterende gegoten hars gereedschappen bieden een zeer goede sterkte en duurzaamheid en zouden in staat moeten zijn om tientallen, zo niet honderden componenten te produceren zonder overmatige slijtage. Zie ons cast resin compression tools project voor meer informatie over deze gereedschapsmethode.

Een andere gereedschapsmethode die we in dit project zullen gebruiken, is direct 3D-geprint PETG-plastic gereedschap. Hoewel dit niet de sterkte en duurzaamheid biedt van massief gereedschap, heeft het het voordeel dat het zeer goedkoop en snel te produceren is en zeer nuttig kan zijn voor kleine oplages en eenmalige prototyping. Het gebruik van dit proces met een 3D-geprinte mal stelt u in staat om componenten te produceren met echt hoge mechanische prestaties zonder verdere specialistische apparatuur of gereedschap. Hiervoor heeft u een correct geconfigureerde en ingestelde FDM-printer nodig. In dit project hebben we de uitstekende Ultimaker S5 gebruikt, die met zijn presets en intuïtieve gebruikersinterface 3D-printen eenvoudig maakt, maar elke printer die correct is geconfigureerd, kan uiteraard worden gebruikt. Als u advies zoekt over 3D-printen, bevelen we graag onze leveranciers van Dynamism aan. Hoewel andere filamentmaterialen kunnen worden gebruikt, hebben we vastgesteld dat PETG geweldige lossingseigenschappen biedt en nauwkeurig en gemakkelijk te printen is, waardoor het een uitstekende keuze is. Bij het printen van compressiemallen moet de vulling ongeveer 75% of hoger zijn om voldoende sterkte en stijfheid te bieden tijdens de compressie. Het gebruik van een laaghoogte van 0,15 mm of minder zorgt ook voor een beter oppervlak voor de lossing.

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

Lossingsmiddel
RW4 hoogwaardige spuitlossingswas is het aanbevolen lossingssysteem voor compressiemoulding bij omgevingstemperatuur. Dit lossingsmiddel presteert bijzonder goed bij het lossen van stijve gietstukken en mallen van elkaar, omdat het een dikke barrière vormt die relatief zacht is en daardoor indien nodig een beetje kan bewegen tijdens het lossen.

Vulwas
Vulwas en/of plasticine is vaak nuttig voor het afdichten van schroefdraden op malbouten of om uitwerpgaten in de mal op te vullen en af te dichten.

Chopped Touw
CT12 chopped touw is perfect geschikt voor dit proces, het heeft strengen die zijn gehakt op 12mm lengte, wat een geweldige balans biedt tussen vormbaarheid en sterkte.

Epoxyhars
De IN2-hars heeft bewezen uitstekende bevochtiging en vloei te bieden in dit proces, wat cruciaal is voor succesvol vormen.

De mallen moeten worden geïnspecteerd en gecontroleerd op mogelijke ondersnijdingen of imperfecties die een probleem kunnen veroorzaken bij het lossen. In het geval van een 3D-geprinte mal kan het zijn dat het vierkant scheren van hoeken met een mes de nauwkeurigheid van de sluiting verbetert. Zodra de mallen zijn gecontroleerd, kan het lossingsmiddel worden aangebracht.

De RW4 spuitwas wordt aangebracht door een dunne film over de mal te spuiten en deze ongeveer 5-10 minuten te laten drogen en vervolgens opnieuw aan te brengen. Doorgaans bieden 3 of 4 dunne lagen voldoende lossing. Vermijd het spuiten van de was in één dikke laag, omdat dit veel langer duurt om te drogen dan meerdere dunnere lagen. Het lossingsmiddel moet worden aangebracht op alle vlakken en scheidingsvlakken van de mal, omdat de hars hier tijdens de compressiefase in zal dringen.

Eventuele uitwerp gaten in de mal moeten nu worden afgedicht met vulwas, deze moeten stevig worden gevuld tegen een harde stop, anders zal de druk van het vormproces ze waarschijnlijk naar buiten forceren. Alle bouten in de mal moeten de schroefdraad gevuld hebben met de vulwas om te voorkomen dat ze in het gereedschap worden gebonden.

Het nauwkeurig berekenen van de juiste vezelbelasting voor de mal is waarschijnlijk de belangrijkste factor voor succes met dit proces. De eerste stap bij het berekenen van de benodigde hoeveelheid vezel is het bepalen van het volume van uw afgewerkte component. Als u met CAD werkt, is dit heel eenvoudig en kan dit worden opgezocht in het eigenschappenvenster van een solid body. In het geval van mallen die van een bestaand component zijn genomen, wordt het volume doorgaans berekend door het originele component te wegen, de dichtheid van het materiaal waaruit het is gemaakt te bepalen en vervolgens het volume daaruit te berekenen. Bijvoorbeeld, als we een spuitgegoten onderdeel hebben dat 100 g weegt en is gemaakt van nylon 6 met 30% glasvezel (PA6 GF30), dan is de dichtheid hiervan vastgesteld op 1,3 gram per kubieke centimeter, dus gewicht onderdeel / dichtheid = volume of 100 / 1,3 = 76,92.

Zodra het volume van het onderdeel bekend is, kan het gewicht van het afgewerkte gesmede koolstof onderdeel worden berekend. Voor een snelle berekening vanuit een bekend volume kunt u een vereenvoudigde methode gebruiken van 0,84 g/cc voor uw vezelberekening, maar om de reden beter uit te leggen, wordt de volgende basismethode gebruikt: De dichtheid van gesmede koolstofvezel is doorgaans 1,4 g/cc, dus in ons vorige voorbeeld dichtheid * volume = gewicht onderdeel, 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 vezel-harsverhouding te bereiken, die voor dit proces over het algemeen 60/40 is (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 totdat deze leeg is tijdens het lamineren van het onderdeel.

De hoeveelheid benodigde IN2-hars kan snel worden geschat door een batch te mengen die 25% zwaarder is dan de berekende hoeveelheid vezel, dus doorgaand met ons voorbeeld hebben we vezelgewicht 64,61 * 1,25 = 80,76 g IN2-hars (gemengd). Deze eenvoudige methode geeft u de overtollige hars die nodig is voor dit proces, een groot deel van deze hars wordt tijdens het proces eruit geperst, het uiteindelijke onderdeel zelf heeft 43,08 g hars [107,69 (eindgewicht) – 64,61 (vezelgewicht) = 43,08 g]. Afhankelijk van de grootte en complexiteit van het onderdeel dat u produceert, heeft u mogelijk extra hars nodig om het onderdeel effectief te lamineren, dit kan naar behoefte worden gemengd tijdens het lamineren.

De hars mag pas vlak voor gebruik worden gemengd, net als bij alle epoxy's is nauwkeurig wegen en mengen volgens de instructies essentieel.

Lamineren in dit gesmede proces is eigenlijk heel vergelijkbaar met een typisch nat-in-nat-proces; de mal moet eerst een dunne laag hars hebben die met een kwast wordt aangebracht, dit helpt om de eerste laag vezel te laten hechten en zorgt ervoor dat het hele oppervlak goed nat is, de vezel moet vervolgens licht over het oppervlak worden gestrooid en worden geconsolideerd en nat gemaakt door te stippelen met een kwast totdat de vezel verzadigd is en vervolgens herhaald totdat de malholte is gevuld, er moet zorg worden besteed aan het gelijkmatig laden van de vezel en het ongeveer weergeven van de uiteindelijke vorm van het onderdeel. Stompe gereedschappen of 'dibbers' zullen vaak nuttig blijken om de vezel in strakke en gedetailleerde gebieden te drukken. U zult merken dat er tijdens dit proces meer vezels lijken te zijn dan in de mal passen en dat de holte overvol zal zijn, dit is normaal en zal tijdens de compressie in de holte worden gedwongen.

Zodra alle vezels in de mallen zijn geladen, kunnen ze worden gesloten en samengeperst. Voor kleinere malgereedschappen bieden een bankschroef of G-klemmen voldoende klemkracht, voor grotere gereedschappen kan een pneumatische of hydraulische pers geschikt zijn. Hoe de compressie ook wordt bereikt, het is belangrijk om het gereedschap langzaam te sluiten, vooral bij meer fragiele mallen zoals die welke zijn geprint, de reden om langzaam te sluiten is om de hars de tijd te geven om in de holte te stromen en overtollige hars eruit te laten stromen. Als de mal te snel wordt gesloten, kan dit een hydraulische vergrendeling veroorzaken die een enorme kracht op de mallen zou uitoefenen, waardoor ze mogelijk beschadigd raken. In de meeste gevallen kan het gereedschap geleidelijk over ongeveer 5 minuten worden vastgeklemd. Zodra het gereedschap volledig samenkomt of 'bottom-out', moet het onderdeel onder druk worden gelaten totdat het harssysteem is uitgehard.

Na het ontvormen houdt u wat flash over bij de scheidingslijnen. Dit kan snel worden verwijderd met een scherp mes of schuurpapier. Eventuele resten van lossingsmiddel kunnen effectief worden verwijderd met malreiniger of een soortgelijk oplosmiddel. Hoewel deze onderdelen bijna al hun potentiële structurele prestaties direct uit de mal zullen hebben, kan een verwarmde nabehandeling worden uitgevoerd om de eigenschappen van de hars te maximaliseren. Raadpleeg het technische gegevensblad van de IN2 voor meer informatie.

Het component zou direct uit de mal volledig bruikbaar zijn, maar als het component bedoeld is voor een cosmetische toepassing, kan een glanzende, blank gelakte afwerking de voorkeur hebben. Dit kan worden gespoten met een 2K blanke lak of worden aangebracht met een XCR coatinghars. Om voor te bereiden op een van deze afwerkingen, moeten de onderdelen worden opgeruwd en gevlakt met korrel 400 nat en droog voorafgaand aan het aanbrengen.

Een andere afwerkingsoptie die geen extra coating vereist, is het vlakken en schuren van het ruwe, ontvormde onderdeel tot een fijne korrel 1200 en vervolgens het aanbrengen van een autowas om een ruwe satijnen afwerking achter te laten.