Kevlar vs. Serat Karbon: Perbedaan Utama & Kinerja Bahan
Kevlar® dan serat karbon memiliki sejarah yang menarik yang menampilkan eksplorasi dan inovasi material. Di Markforged, kami suka menjelajahi material dan kombinasi mereka dan membuka potensi baru serta memimpin pengembangan inovasi di industri manufaktur aditif. Kami adalah pemimpin dalam pencetakan serangkaian serat kontinu dengan proses CFF (Continuous Filament Fabrication) yang dipatenkan kami, yang menempatkan serangkaian serat kontinu dalam bagian FFF Onyx untuk memperkuat bagian plastik dengan kekuatan logam. Ini secara vast meningkatkan daya tahan dan umur bagian, dan mengoptimalkan profil kekuatan bagian dengan menambahkan serat di tempat kekuatan paling dibutuhkan.
Mari kita jelajahi pemahaman kami tentang Kevlar sedikit lebih jauh.
Studi Kasus Angkatan Darat AS
Baca kisah sukses pelanggan terbaru kami tentang basis pelatihan besar untuk Angkatan Darat AS.
Kevlar
Apa yang Anda pikirkan saat mendengar nama Kevlar? Sebagian besar orang memikirkannya sebagai Pelat Anti Peluru. Anda mungkin tidak memikirkan DuPont™, tetapi material ini dikembangkan oleh DuPont™ pada tahun 1964 oleh kimiawan berkebangsaan Amerika-Polania Stephanie Kwolek.
Apakah Anda tahu bahwa Kevlar memiliki sejumlah penggunaan yang berbeda di seluruh industri? Anda dapat menemukannya dalam aplikasi sehari-hari seperti:
- Ban mobil dan sepeda
- Plat untuk beban
- Layar dan tali
- Sarung tangan, kaus kaki, dan tas
- Sepatu kerja
- Kampas rem
- Perlengkapan pelindung
- Sealant
Kevlar adalah serat sintetis yang termasuk dalam kelompok serat aramid yang tahan panas. Kevlar dan Nomex adalah bagian dari kelompok ini. Serat sintetis adalah serat yang disintesis melalui sintesis kimia, tidak seperti serat alami yang berasal dari organisme hidup. Serat sintetis dibuat dengan mengeksltrusi material pembentuk serat melalui spinneret, membentuk serat.
Kevlar memiliki tipe modulus tinggi yang digunakan terutama dalam kabel optik, pemrosesan tekstil, tali, kabel, aplikasi penguatan plastik dan komposit untuk penerbangan, otomotif, pertahanan, energi, konsumen, elektronik, medis, dan industri berat untuk menyebut beberapa. Komando Rekayasa Fasilitas Naval mengeksplorasi kemampuan tali Kevlar untuk digunakan dalam rekayasa laut dan konstruksi, menghasilkan desain dan aplikasi inovatif yang disediakan oleh kekuatan tarik luar biasa dan keangungan Kevlar. Serat Kevlar memiliki kekuatan tarik yang sebanding dengan serat karbon, modulus di antara kaca dan serat karbon, dan densitas yang lebih rendah dari keduanya.
Aramid Kevlar digunakan untuk aplikasi komposit berkinerja tinggi di mana ringan, kekuatan dan kekakuan tinggi, resistensi kerusakan, dan resistensi terhadap kelelahan dan patah tekan adalah penting. Markforged menemukan bahwa memperkuat Onyx, Onyx FR, dan bahkan Nylon White dengan Kevlar memungkinkan insinyur dan desainer bagian untuk membuat bagian yang sangat serbaguna. Kevlar dapat mengalami perubahan signifikan di lingkungan suhu rendah, sejauh 320°F (-196°C) dan tidak menunjukkan kerapuhan atau degradasi, dan lingkungan dengan radiasi elektron, karena radiasi elektron tidak berbahaya bagi Kevlar. Namun, Kevlar sensitif terhadap cahaya UV (ultraviolet).
Desainer dapat mengembangkan bagian yang aman, kuat, kaku, ringan, dan toleran terhadap lingkungan, aplikasi, dan kondisi beban dengan mencetak dengan serat kontinu. Dengan merancang bagian dengan proses CFF (Continuous Filament Fabrication) desainer dapat memanfaatkan kekuatan tarik Kevlar (meregang atau menarik) yang lebih dari delapan kali lebih besar dari tali kawat baja.
Memperkuat dengan CFF memungkinkan desainer apa pun untuk membangun bagian komposit dengan kekuatan logam, meningkatkan daya tahan (umur) bagian, dan mengoptimalkan kekuatan bagian di tempat yang paling dibutuhkan. Kevlar juga memiliki rentang deformasi plastik yang sangat panjang dan saat gagal, gagal satu serat pada satu waktu dan bahkan akan membengkok atau jatuh alih‑alih patah. Ini memiliki mode kegagalan yang jauh lebih dapat diprediksi dan lebih maaf dibandingkan serat lain seperti serat karbon.
Properti unik serat Kevlar:
- Sangat sedikit regangan
- Kekuatan tarik tinggi
- Rasio kekuatan‑berat yang sangat tinggi
- Resistensi kelelahan yang luar biasa
- Performa baik di atas rentang suhu yang luas
- Tidak meleleh; akan terurai pada 800°F - 900°F (427°C hingga 482°C)
- Creep rendah
- Tidak menyusut
- Stabilitas kimia yang baik
- Sangat tahan abrasi
- Kelemahan kekuatan di arah transverse (lemah dalam kekuatan kompresi)
- Mode kegagalan paling tidak katastrofik dari semua filamen Markforged
Resistensi Dampak
Kevlar 8x lebih tahan dampak dari ABS sambil tetap 15-20% lebih ringan dari serat penguat kami lainnya.
Kekuatan Lentur
Dalam uji lentur tiga titik, Kevlar cetak 3D 3x lebih kuat dari ABS dan 6x lebih kuat dari nylon.
Kekakuan Lentur
Kevlar cetak 3D 12x lebih kaku dari ABS dan 30x lebih kaku dari nylon.
Kevlar memiliki daya tahan yang luar biasa, menjadikannya optimal untuk bagian yang mengalami beban berulang dan tiba-tiba. Sama kaku dengan fiberglass dan jauh lebih duktil, dapat digunakan untuk berbagai aplikasi yang disesuaikan untuk manufaktur aditif, seperti:
- Sepatu olahraga
- Robotika dan pelana
- End effector/gripper
- Kasus ponsel, elektronik pribadi
- Bagian yang dirancang untuk dihidraulik atau pneumatik
- Perlengkapan pelindung, helm; pertempuran, motor
- Spakbor rem, klamp, montir
- Fixture, tooling, workholding, soft jaws
- Gear, tang, drone
- Barang olahraga dan aksesori, karabiner
- Bagian akhir-pengguna, produk konsumen, dll...
Gripper Dixon Valve dicetak dengan Onyx dan diperkuat dengan Kevlar. Material harus cukup kuat untuk mentransmisikan genggaman clamp, tahan melalui siklus beban berulang, dan tidak merusak permukaan klep.
Komposit dalam pencetakan 3D mengambil keuntungan dari kekuatan kompresi matrik plastik — struktur pendukung yang terdiri dari sebagian besar volume bagian — dan kekuatan tarik serat yang tertanam. Kedua material ini saling bergantung: tanpa serat, bagian plastik hanya kuat seperti adhesi di dalam dan antara benang plastik yang diekstrusi. Tanpa matrik, serat tidak memiliki struktur dan tidak akan mempertahankan bentuknya. Matrik menciptakan ruang sehingga serat memiliki lengan tuas untuk menstabilkan terhadap beban. Ketika digabungkan, mereka sinergis membentuk komposit dengan kekuatan yang lebih besar dalam kompresi dan tarik daripada yang dapat ditawarkan masing-masing secara terpisah. Ini benar untuk semua serat kami; Kevlar, serat karbon, fiberglass, dan HSHT fiberglass.
Sekarang, mari kita jelajahi pemahaman kami tentang serat sedikit lebih jauh.
Serat Karbon
Filamen serat karbon terdiri dari atom karbon yang terorganisir dalam struktur kristal. Karena kekakuan dan kekuatan yang sangat tinggi, digunakan luas di industri penerbangan dan otomotif. Ini memiliki salah satu rasio kekuatan‑berat tertinggi yang ada — lebih tinggi dari baja dan titanium.
Baca Panduan Desain Komposit Gratis Kami
Rasio kekuatan‑berat
Dibandingkan aluminium 6061, serat karbon cetak 3D memiliki rasio kekuatan‑berat 50% lebih tinggi dalam lentur dan 300% lebih tinggi dalam tarik.
Kekuatan Lentur
Dalam uji lentur tiga titik, serat karbon cetak 3D kami 8x lebih kuat dari ABS dan 20% lebih kuat dari yield aluminium.
Kekakuan Lentur
Filamen serat karbon cetak 3D 25x lebih kaku dari ABS dan 2x lebih kaku dari serat penguat Markforged lainnya.
Karakteristik material serat karbon:
Serat karbon cetak 3D Markforged sama dengan kekuatan yield aluminium 6061
Gagal pada stres yang sama tempat aluminium mulai deformasi plastis
Serat karbon akan kembali ke bentuk asli setelah beban dihapus sementara aluminium deformasi plastis
Kekakuan tinggi dan rasio kekuatan‑berat tinggi
Konduktif listrik
Tahan karat dan panas
Kaku hingga patah (kegagalan tiba-tiba dan tidak dapat diprediksi)
Beban ideal konstan - mendukung gaya yang diketahui sepanjang waktu.
Properti luar biasa serat karbon memungkinkannya untuk digunakan sebagai pengganti logam dalam aplikasi di mana penghematan bobot penting. Setiap industri sekarang memiliki kemampuan untuk memanfaatkan CFF dengan serat karbon dan mencetak bagian yang sangat kuat. Generative Design juga menawarkan keuntungan saat digabungkan dengan Markforged CFF yang memungkinkan desainer untuk menjelajahi banyak solusi yang dioptimalkan dan memiliki kemampuan untuk memilih desain terbaik yang disesuaikan dengan penggunaan dari sudut pandang desain dan kekuatan.
Serat karbon dapat digunakan untuk berbagai aplikasi; penerbangan, otomotif, arsitektur dan konstruksi, barang konsumen, medis, energi, pertahanan, elektronik, mesin industri, dll. yang disesuaikan untuk manufaktur aditif dan tidak ada akhir pada daftar ini, jadi di sini hanya beberapa:
Robotika dan lengan robotik
End effector, gripper, dan soft jaws
Fixture inspeksi, fixture pengelasan, dan fixture CMM
Alat forming
Sepeda dan komponennya
Aplikasi motorsport high-end
Lihat kasus penggunaan Haddington Dynamics, lengan robot cetak 3D yang diperkuat dengan filamen serat karbon kontinu, kaku dan ringan cukup untuk lengan robotik memiliki presisi 50 mikron. Menggunakan printer serat karbon 3D, perusahaan dapat mengurangi jumlah bagian dari 800 menjadi kurang dari 70.
Hubungi kami untuk bantuan atau saran lebih lanjut tentang serat penguat yang paling tepat untuk aplikasi Anda. Minta sampel Kevlar atau serat karbon hari ini.
Referensi:
Ferer, M. Kenneth and Swenson, C. Richard, “Design Guide for Selection and Specification of Kevlar Rope for Ocean Engineering and Construction,” Pages v, 9, 39, https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a163255.pdf, Jul. 1976, Naval Research Laboratory, Naval Facilities, Engineering Command, Washington, DC.
Smith, F. William, 1996, “Principles of Materials Science and Engineering, Third Edition,” McGraw-Hill, Inc., Page 774, ISBN- 0-07-059241-1.
DuPont™. DuPont™ Kevlar Applications - "The Kevlar® Journey, Top To Bottom". YouTube, Aug. 2014. https://youtu.be/hIqKoZLL4QU?t=90.
Science Channel. “Watch In Slow-Motion As Kevlar Fibers Are Put To The Test.” YouTube, Jun. 2017, https://youtu.be/ybgMEjl9j-g.
Yeung, K. K., and Rao, K. P., “Mechanical Properties of Kevlar Fibre Reinforced Thermoplastic Composites,” Page 411, https://pdfs.semanticscholar.org/fa3f/845bb8b7230c6d82b29392c8c5baf7da10d5.pdf, Jan. 29, 2010, Department of Mechanical and Biomedical Engineering, City University of Hong Kong, Hong Kong SAR, China
Wikipedia contributors. "Kevlar." Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 11 Aug. 2019. Web. 16 Sep. 2019, https://en.wikipedia.org/wiki/Kevlar#History.
Wikipedia contributors. "Aramid." Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 8 Sep. 2019. Web. 16 Sep. 2019, https://en.wikipedia.org/wiki/Aramid.
Wikipedia contributors. "Synthetic fiber." Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 7 Sep. 2019. Web. 16 Sep. 2019, https://en.wikipedia.org/wiki/Synthetic_fiber.
Williams Bryan, Attwood Louise, Treuherz Pauline, 2017, “Design and Technology: All Materials Categories and Systems, Fire Resistant Materials,” 2017.
