Hur definierar man det bästa materialet för en del som ska tillverkas? Det är en enkel fråga som kräver ett komplicerat svar. Som ingenjör måste du sammanväga en rad kriterier inklusive funktion, belastning, miljö, kvantitet, möjliga tillverkningstekniker, med mera. 3dp-print går bra att använda för vissa slutprodukter, men är mindre bra för andra. Här förklarar vi hur du kan tillverka slutprodukter genom att 3d-printa kompositmaterial.
Jämförelse av olika tillverkningsprocesser
Vi använder en griparm från företaget Dixon som exempel. Griparmen gör det möjligt att optimera produktionslinan för en typ av ventiler hos företaget. Griparmen måste vara stark nog att överföra klämkraften, kunna hålla för för ett stort antal körningar och samtidigt inte repa ventilerna. Griparmen är inte en produktionsdel, utan snarare ett produktionshjälpmedel. Därför tillverkas den bara i upp till hundra exemplar. Här nedan är en jämförelse av olika tillverkningsprocesser för griparmen.
Geometrin på griparmen medger maskinbearbetning. Men de låga produktionsvolymerna gör att det inte är kostnadseffektivt om man vill göra förbättringar och finputsningar. Dixon har inte heller någon tillverkningskapacitet till övers. Att använda en extern leverantör av produktionsverktyg förlänger bara ledtiderna vid eventuell produktionsökning.
Att gjuta kräver en kärna och efterbehandling av fästanordningen. Ledtiderna blir också långa med denna tillverkningsmetod. En griparm i metall löper också högre risk att skada de pressgjutna ventilerna.
Att armera med glas- eller kolfiber används ofta för att hålla nere vikten och öka styrka och styvhet i en komponent. Processen är till stor del manuell och därmed inte repeterbar på önskvärd kvalitetsnivå. Armering fungerar inte heller med de krav som företaget ställer på en kompakt och robust griparm.
Termoplaster som ABS och PLA är lätta att printa med, särskilt när det gäller mindre upplagor. Men materialen ger inte den styrka som företaget behöver. Livslängden är också kort och griparmar i ABS eller PLA kan knäckas under användning.
Men vad med om det finns ett sätt att dra nytta av mer tillgänglig teknik, som 3d-printning, för att tillverka slutprodukter som uppfyller kraven på styrka och seghet?
Genom att använda kontinuerlig förstärkningsfiber i en printad del går detta att göra. Denna så kallade plastmatris innebär fördelar som effektiv lågvolymsproduktion och snabba iterationer, medan förstärkningsfiberna ger en del som är mekaniskt stabil och tillräckligt hållbar för långtidsanvändning i en produktionslina.
System som är förstärkta med kompositer är ingen nyhet. Kompositer kännetecknas av en strukturell integration mellan flera unika material. Resultatet är mekaniska egenskaper som är optimerade för en viss belastning. Kompositer finns överallt, från byggindustri till biomekanik, dvs de muskler och den vävnad i kroppen som distribuerar belastningen runt skelettet.
Den stora fördelen med kompositer är att ingenjören inte är begränsad till en uppsättning egenskaper. Kompositer drar nytta av de olika beståndsdelarna i materialet och deras egenskaper.
Kompositer i 3d-printning använder tryckkraften i plastmatrisen, det vill säga den supportstruktur som utgör huvuddelen av utskriftens volym. Den får också förbättrad draghållfasthet med hjälp av inbäddade fiber. De två materialen är sammanflätade; utan fiber är plastdelen bara så stark som materialets vidhäftning. Utan matrisen har fiberna ingen struktur och kan därmed inte upprätthålla sin form. Matrisen skapar utrymme så att fibern bildar ett slags hävarm som kan motstå en belastning. När både plastmatrisen och fibern kombineras, bildar de en komposit med en högre styrka än vad man skulle kunna uppnå var för sig med materialen.
Vilka egenskaper har kompositer och fiber?
Matrismaterial måste vara enkla att extrudera, ge en jämn ytfinish och god vidhäftningsförmåga för att vara stabil under tryck. Plastmatrisen måste vara något medgörlig för att fiberna ska kunna laddas. Låt oss jämföra elasticitetsmodulen för några material. Stål ligger på 200 Gpa, kolfiber på 60 GPa och nylon, eller polyamid på 1 Gpa. Eftersom nylon har en så låg elasticitetsmodul kommer den att töjas före fibren och därmed överföra belastningen till det styvare materialet, som är fiber i detta fall.
Men hur är det med materialegenskaperna i fiber? Eftersom fibrets funktion är att förstärka, är den viktigaste egenskapen draghållfasthet. Detta är särskilt viktigt när delar är konstruerade för att maximera den axiala belastningen av fibret. Till skillnad från plastmatrisen behöver inte fibret ge en fin ytfinish eller vara stabilt under tryck. Andra egenskaper som värmebeständighet och brottöjning utmärker olika fiber från varandra.
Kom ihåg att plast och fiber är beroende av varandra. Fiber behöver plats i en del och hålls på plats med byggmaterialet. Tillsammans bildar de en stark 3d-utskriven del.
