Manufaktur industri
Industri Internet of Things | bahan industri | Pemeliharaan dan Perbaikan Peralatan | Pemrograman industri |
home  MfgRobots >> Manufaktur industri >  >> Manufacturing Technology >> pencetakan 3D

Panduan Langkah demi Langkah untuk Memproduksi Komponen Serat Karbon Berkinerja Tinggi

Material komposit, seperti plastik yang diperkuat serat karbon, merupakan material yang sangat serbaguna dan efisien, mendorong inovasi di berbagai pasar mulai dari ruang angkasa hingga layanan kesehatan. Produk ini mengungguli material tradisional seperti baja, aluminium, kayu, atau plastik, dan memungkinkan pembuatan produk ringan berperforma tinggi.

Dalam panduan ini, pelajari dasar-dasar pembuatan komponen serat karbon, termasuk berbagai metode peletakan, laminasi, dan pencetakan serat karbon, serta bagaimana Anda dapat menggunakan pencetakan 3D untuk membuat cetakan serat karbon guna menurunkan biaya dan menghemat waktu. Komposit cetak 3D langsung juga tersedia, seperti Formlabs Nylon 11 CF Powder, yang merupakan material berisi serat karbon yang sempurna untuk aplikasi yang memerlukan kekakuan dan kekuatan superior. Saat dicetak pada printer Formlabs Fuse 1+ 30W, Bubuk Nylon 11 CF menghasilkan komponen yang ringan dan kaku yang tetap stabil secara struktural dan termal serta tahan terhadap benturan berulang.

Bagian Sampel Bubuk Nilon 11 CF

Lihat dan rasakan langsung kualitas nilon yang diisi serat karbon. Kami akan mengirimkan sampel suku cadang gratis ke kantor Anda.

Minta Bagian Sampel Gratis

Material komposit adalah kombinasi dua atau lebih komponen yang mempunyai karakteristik yang berbeda dari masing-masing komponen itu sendiri. Sifat teknik biasanya ditingkatkan, seperti penambahan kekuatan, efisiensi, atau daya tahan. Komposit terbuat dari bahan penguat - serat atau partikel - yang disatukan oleh matriks (polimer, logam, atau keramik). 

Polimer yang diperkuat serat (FRP) mendominasi pasar dan telah mendorong pertumbuhan aplikasi baru di berbagai industri. Diantaranya, serat karbon adalah komposit yang banyak digunakan khususnya untuk pesawat terbang, mobil balap, dan sepeda karena tiga kali lebih kuat dan kaku dibandingkan aluminium, namun 40% lebih ringan. Ini dibentuk oleh serat karbon yang diperkuat yang dihubungkan dengan resin epoksi.

Serat dapat ditenun secara terarah dan disejajarkan secara strategis untuk menciptakan kekuatan relatif terhadap suatu vektor. Serat tenunan silang dapat digunakan untuk menciptakan kekuatan dalam berbagai vektor dan juga bertanggung jawab atas tampilan berlapis yang khas pada bagian komposit. Biasanya suku cadang diproduksi dengan kombinasi keduanya. Ada beberapa jenis serat yang tersedia, termasuk:

Resin digunakan untuk menyatukan serat-serat ini dan membuat komposit yang kaku. Meskipun ratusan jenis resin dapat digunakan, berikut ini yang paling populer: 

Pembuatan polimer yang diperkuat serat, seperti komponen serat karbon adalah proses yang terampil dan padat karya yang digunakan baik dalam produksi satu kali maupun produksi batch. Waktu siklus berkisar dari satu jam hingga 150 jam tergantung pada ukuran dan kompleksitas bagiannya. Biasanya dalam fabrikasi FRP, serat lurus yang berkesinambungan digabungkan dalam matriks untuk membentuk lapisan individual, yang dilaminasi lapis demi lapis ke bagian akhir. 

Sifat komposit dipengaruhi oleh material sama seperti proses laminasi:cara penggabungan serat sangat mempengaruhi kinerja komponen. Resin termoset dibentuk bersama dengan penguatnya dalam alat atau cetakan, dan diawetkan untuk membentuk produk yang kuat. Ada berbagai teknik laminasi yang tersedia, yang dapat dibedakan menjadi tiga jenis utama:

Pada lay-up basah, serat dipotong dan dimasukkan ke dalam cetakan kemudian resin diaplikasikan melalui kuas, roller, atau pistol semprot. Metode ini memerlukan keterampilan paling banyak untuk membuat suku cadang berkualitas tinggi, namun juga merupakan alur kerja paling murah dengan persyaratan paling rendah untuk mulai membuat suku cadang serat karbon DIY. Jika Anda baru dalam pembuatan suku cadang serat karbon dan belum menguasainya, kami sarankan memulai dengan laminasi tangan lay-up basah.

Tonton video untuk melihat cara kerja proses peletakan serat karbon basah.

Dengan laminasi prepreg, resin dimasukkan ke dalam serat terlebih dahulu. Lembaran yang telah diresapi sebelumnya disimpan dalam keadaan dingin untuk menghambat penyembuhan. Lapisan kemudian diawetkan ke dalam cetakan di bawah panas dan tekanan dalam autoklaf. Ini adalah proses yang lebih presisi dan berulang karena jumlah resinnya terkontrol, namun juga merupakan teknik termahal yang biasanya digunakan dalam aplikasi berkinerja tinggi.

Dengan pencetakan RTM, serat kering dimasukkan ke dalam cetakan dua bagian. Cetakan ditutup rapat sebelum memaksa resin masuk ke dalam rongga dengan tekanan tinggi. Biasanya dilakukan secara otomatis dan digunakan untuk produksi dengan volume lebih besar.

Karena kualitas cetakan berdampak langsung pada kualitas bagian akhir, pembuatan perkakas merupakan aspek penting dalam pembuatan FRP. Kebanyakan cetakan dibuat dari lilin, busa, kayu, plastik, atau logam melalui permesinan atau kerajinan tangan CNC. Meskipun teknik manual membutuhkan banyak tenaga kerja, pemesinan CNC masih mengikuti alur kerja yang rumit dan memakan waktu—terutama untuk geometri yang rumit—dan outsourcing biasanya memerlukan biaya tinggi dan waktu tunggu yang lama. Kedua opsi tersebut memerlukan pekerja terampil dan menawarkan sedikit fleksibilitas dalam iterasi desain dan penyesuaian cetakan.

Manufaktur aditif menawarkan solusi untuk memproduksi cetakan dan pola dengan cepat dengan biaya rendah untuk membuat komponen serat karbon. Penggunaan perkakas polimer dalam proses manufaktur terus berkembang. Mengganti perkakas logam dengan komponen plastik yang dicetak sendiri merupakan cara yang ampuh dan hemat biaya untuk mempersingkat waktu produksi sekaligus memperluas fleksibilitas desain. Para insinyur telah bekerja dengan komponen cetakan 3D resin polimer untuk pembuatan jig dan perlengkapan guna mendukung metode seperti penggulungan filamen atau penempatan serat otomatis. Demikian pula, cetakan dan cetakan jangka pendek digunakan dalam cetakan injeksi, thermoforming, atau pembentukan lembaran logam untuk menghasilkan batch bervolume rendah. 

Pencetakan 3D desktop internal memerlukan peralatan terbatas dan mengurangi kompleksitas alur kerja. Printer resin desktop profesional seperti Form 4 harganya terjangkau, mudah diterapkan, dan dapat disesuaikan dengan permintaan dengan cepat. Pembuatan perkakas dan cetakan berukuran besar juga dapat dilakukan dengan printer 3D format besar seperti Form 4L.

Teknologi pencetakan 3D Stereolitografi (SLA) menciptakan komponen dengan permukaan akhir yang sangat halus, yang penting untuk cetakan tata letak serat karbon. Hal ini memungkinkan geometri kompleks dengan presisi tinggi. Selain itu, Perpustakaan Resin Formlabs memiliki material teknik dengan sifat mekanik dan termal yang cocok digunakan dalam pembuatan cetakan dan pola.

Cetakan cetak 3D untuk pembuatan komponen serat karbon dapat mengurangi biaya dan menurunkan waktu pengerjaan.

Untuk produksi skala kecil, para insinyur dapat langsung mencetak cetakan dengan biaya rendah dan dalam beberapa jam tanpa harus mengukirnya dengan tangan atau berurusan dengan peralatan CNC; Perangkat lunak CAM, pengaturan mesin, workholding, perkakas, dan evakuasi chip. Tenaga kerja dan waktu tunggu untuk fabrikasi cetakan berkurang secara drastis, memungkinkan iterasi desain yang cepat dan penyesuaian suku cadang. Mereka dapat menghasilkan bentuk cetakan yang rumit dengan detail halus yang sulit dibuat dengan metode tradisional. 

Pedoman Arsitektur dan Desain Cetakan

Saat mendesain cetakan Anda, pertimbangkan apa yang akan berhasil dicetak, serta apa yang akan berhasil dicetak. Arsitektur cetakan yang berbeda digunakan untuk membuat berbagai jenis geometri:

Tambahkan sudut draf: Sudut draft positif dua hingga tiga derajat akan memudahkan langkah pembongkaran dan meningkatkan umur cetakan, khususnya untuk cetakan kaku. Namun, menggunakan bahan pencetakan 3D yang lentur seperti Tough 1500 Resin memungkinkan Anda membuat komponen tanpa rancangan dan menyertakan geometri menantang yang tidak dapat dibentuk dari cetakan kaku. Tetapkan radius minimum yang sesuai dengan ketebalan material Anda:ini membantu serat untuk menyelaraskan di sudut sambil menghindari masuknya udara, dan untuk menciptakan komponen berkualitas yang dapat diulang. Hindari sudut yang curam dan berdekatan, karena geometri mengalir lebih mudah dikerjakan dibandingkan geometri kotak dan tegang.

Tetapkan radius minimum yang sesuai dengan ketebalan material Anda:  Hal ini membantu serat untuk menyelaraskan sudut-sudutnya sekaligus menghindari masuknya udara, dan menciptakan komponen berkualitas yang dapat diulang. Hindari sudut yang curam dan berdekatan, karena geometri mengalir lebih mudah dikerjakan dibandingkan geometri kotak dan tegang.

Sertakan pin lokasi dan indentasi untuk cetakan yang memerlukan penyelarasan yang tepat. Salah satu keuntungan besar pencetakan 3D adalah memungkinkan kompleksitas dalam penyelarasan geometri dan membantu membuat desain yang peka terhadap posisi.

Sertakan permukaan yang dibanjiri: kelebihan material dari permukaan yang diperluas akan dipotong untuk menggambar garis potong yang tepat. Pencetakan 3D memungkinkan Anda mencetak secara berlebihan tanpa perlu melakukan flashing.

Tambahkan garis trim: Pencetakan 3D memungkinkan Anda menggabungkan fitur perawatan yang presisi seperti pemandu bor, garis pencungkil untuk pemangkasan tangan, atau rel pemandu router.

Praktik terbaik lainnya:

Formula Student adalah kompetisi desain teknik tahunan di mana tim mahasiswa dari seluruh dunia membuat dan membalap mobil bergaya formula. Tim Mahasiswa Formula TU Berlin (FaSTTUBe) adalah salah satu grup terbesar; 80 hingga 90 siswa telah mengembangkan mobil balap baru setiap tahun sejak tahun 2005. 

Tim Formula Student di TU Berlin (FasSTTUBe) sedang membangun tiga kendaraan untuk kompetisi Formula Student tahunan.

Dengan akses ke hampir seluruh teknologi fabrikasi, tim FasSTTUBe menggunakan pencetakan 3D untuk tiga tujuan:

  1. Prototipe: mereka mencetak prototipe untuk berbagai bagian, seperti dudukan anti-roll bar atau pemangku kepentingan Baterai HV.
  2. Cetakan serat karbon cetak 3D: tim mencetak selusin cetakan untuk membuat bagian serat karbon yang tidak dapat dibuat dengan cara lain. 
  3. Bagian penggunaan akhir: sekitar 30 bagian pada kendaraan akhir dicetak langsung secara 3D: mulai dari dudukan tombol, pemindah gigi pada roda kemudi, hingga selang dan konektor sensor pada sistem pendingin.

Dalam studi kasus ini, kami melihat detail aplikasi cetakan yang mereka gunakan untuk membuat rumah roda kemudi dan pegangan dari serat karbon.

Mengurangi bobot sangat penting dalam konstruksi mobil balap. Untuk meringankan bagian-bagiannya, mereka bisa saja mencetak pegangan roda kemudi yang berongga, namun tidak cukup kuat untuk menahan genggaman pengemudi. Serat karbon adalah bahan yang bagus untuk menurunkan bobot sekaligus mempertahankan atau meningkatkan kekuatan. Agar dapat membuat komponen serat karbon tahun ini, Felix Hilken, Kepala Aerodinamika dan Manufaktur Karbon, mengembangkan alur kerja menggunakan cetakan cetak 3D untuk laminasi lay-up basah.

Peralatan yang Dibutuhkan:

Pegangannya dibuat dalam dua bagian agar dapat membongkar bagian tersebut. Untuk setiap separuh pegangan, Felix merancang cetakan dua bagian yang dilengkapi fitur-fitur yang sulit dibuat tanpa pencetakan 3D, khususnya:

Tim mencetak cetakan tersebut pada printer Form Series dengan Tough 1500 Resin pada ketinggian lapisan 50 mikron. Cetakan dicuci selama dua periode 10 menit dalam IPA dan pasca-curing selama 60 menit pada suhu 70 °C. Resin 1500 Tangguh dipilih karena menyeimbangkan perpanjangan dan modulus:bagian yang dicetak pada bahan ini dapat menekuk secara signifikan dan dengan cepat kembali ke bentuk aslinya. Ini adalah sifat mekanis yang diinginkan untuk menghindari kerusakan cetakan saat proses pembongkaran.

Terapkan agen pelepas untuk memfasilitasi proses demolding. Ini adalah langkah pertama yang penting:jika beberapa permukaan tidak tertutup, bagian tersebut tidak akan terpisah dari cetakan.

  1. Lapis dengan lilin (opsional tetapi disarankan)
  2. Lapis dengan polivinil alkohol (PVA)

Campur resin dengan pengeras. Rasio pencampuran harus diikuti dengan tepat. Jika selisihnya hanya beberapa persen saja dari rasio target, bagian tersebut akan menjadi terlalu lunak atau hanya mengeras sebagian. Ikuti instruksi dari produsen resin dengan cermat dan baca lembar keselamatan sebelum digunakan. Dengan resin Felix yang digunakan, proses polimerisasi dimulai dua jam setelah resin dicampur, sehingga menyisakan waktu dua jam untuk operasi layup.

Oleskan resin dengan kuas pada sisi positif cetakan.

Letakkan lapisan serat karbon di sisi positif cetakan. Pastikan untuk mengikuti semua kontur. Tim menggunakan serat 3K untuk menyeimbangkan ketebalan dan harga tenunan. Ini dirancang khusus untuk mengikuti kontur yang rumit dan tidak memiliki untaian pendukung di dalamnya.

Oleskan resin pada lapisan karbon dan ulangi proses layup. Resin mengikat lapisan-lapisan tersebut menjadi satu, membentuk komponen matriks di bagian tersebut, dan mencegah serat agar tidak menyelaraskan kembali. Felix menggunakan tiga lapisan serat karbon.

Oleskan lapisan terakhir resin pada bagian negatif cetakan dan tekan kedua bagian cetakan bersamaan untuk menghindari terbentuknya gelembung udara dan meresap melalui serat.

Potong bahan berlebih menggunakan gunting. 

Sembuhkan selama 48 jam dalam kantong vakum. Selama proses polimerisasi ini, kantong vakum mengeluarkan udara dan menekan lapisan pada cetakan, pada suhu kamar, untuk menghilangkan kelebihan resin. Ini memastikan rasio volumetrik resin terhadap serat yang diinginkan, agar sesuai dengan kekakuan bagian yang tepat.

Penyelesaian:ampelas semua tepinya. Untuk membersihkan cetakan setelah proses, Felix mencelupkannya ke dalam air selama kurang lebih 30 menit untuk melarutkan PVA lalu menggunakan amplas halus 1500 grit untuk menghilangkan sisa resin. 

Dengan menggunakan serat karbon, tim mengurangi bobot rumah roda kemudi dari 120g menjadi 21g, dan mereka mampu mendorong desain ke geometri yang akan sangat sulit untuk diproduksi secara tradisional. “Kehebatan pencetakan 3D adalah pembuatan bentuk yang rumit sama mudahnya dengan bentuk sederhana, serta memerlukan jumlah pekerjaan dan peralatan yang sama,” kata Felix.

Tanpa pencetakan 3D, tim harus melakukan outsourcing penggilingan CNC pada cetakan aluminium, yang mahal, memiliki waktu pengerjaan yang lama, dan memerlukan alat khusus. "Saya akan mengerjakan cetakannya dengan mesin CNC, saya perlu mendapatkan alat khusus, dan menunggu untuk mendapatkan slot pada mesin tersebut. Namun saya bahkan tidak dapat mengerjakan geometri ini. Khususnya beberapa sudut kecil. Saya perlu menggunakan desain yang tidak memiliki sekrup apa pun di dalamnya, sehingga bagian tersebut tidak sensitif terhadap penentuan posisi."

Dari perkiraannya, satu cetakan yang dicetak dengan Formlabs Tough 1500 Resin dapat digunakan untuk membuat sekitar sepuluh bagian. Karena ini adalah proses manual, hal ini bergantung pada seberapa teliti operatornya:cetakan dapat pecah selama proses pemisahan. Namun, beberapa cetakan cetak 3D dapat digunakan untuk meningkatkan produksi. Solusi lain untuk memperpanjang masa pakai cetakan adalah dengan mendukungnya dengan cetakan generik berbahan metalik. Sisipan cetakan 3D membawa geometri sementara cetakan logam cadangan membantu mempertahankan bentuknya. Ini dapat dibuat dengan mesin penggilingan manual sederhana.

DeltaWing Manufacturing menciptakan suku cadang komposit untuk perusahaan Panoz, perancang dan produsen mobil sport mewah eksklusif buatan Amerika.  Untuk membuat komponen serat karbon, DeltaWing Manufacturing menggunakan mesin untuk membuat pola, meletakkan atau mencetak cetakan di atasnya, dan menyelesaikan cetakan sebelum menerapkan proses prepreg untuk melaminasi bagian serat karbon.

Dalam beberapa tahun terakhir, mereka mulai menggunakan komponen cetakan 3D internal sebagai langkah perantara dalam proses ini. Panoz membutuhkan enam unit saluran udara fender serat karbon untuk mobil balap custom. Untuk mengurangi tenaga kerja dan waktu tunggu dari teknik pembuatan cetakan tradisional mereka, para insinyur dari DeltaWing Manufacturing memilih untuk langsung mencetak cetakan 3D dan menerapkannya dalam proses prepreg mereka.

Peralatan yang Dibutuhkan:

Saluran tersebut dibuat dalam dua bagian berbeda pada dua cetakan berbeda untuk memudahkan pemisahan bagian akhir dari cetakan, dan kemudian diikat. Setiap cetakan juga dicetak dalam dua bagian dan dirakit bersama sehingga dapat muat dalam volume pembuatan printer Form Series — namun, hal ini tidak diperlukan dengan volume pembuatan printer Form 4L yang lebih besar. Suku cadangnya dirancang untuk manufaktur aditif, mengikuti rekomendasi desain cetakan.

DeltaWing mencetak cetakan dalam High Temp Resin pada printer Form Series pada ketinggian lapisan 100 mikron. Resin ini dipilih karena memiliki suhu defleksi panas (HDT) sebesar 238 °C @ 0,45 MPa, yang tertinggi di antara resin Formlabs dan salah satu yang tertinggi di antara resin yang ada di pasaran.

Resin Suhu Tinggi dapat menahan suhu pengeringan yang tinggi, menunjukkan kekakuan yang baik untuk mempertahankan bentuk selama pengoperasian dan tingkat detail yang tinggi yang akan diterjemahkan ke dalam bagian akhir. Formlabs merekomendasikan pencucian cetakan High Temp Resin dengan IPA selama 10 menit, pasca-penyembuhan pada suhu 80 °C selama 120 menit, lalu memanaskan komponen selama 3 jam pada suhu 160 °C untuk mendapatkan HDT yang lebih tinggi.

DeltaWing Manufacturing menerapkan proses prepreg biasa pada cetakan cetak, menggunakan serat pola bidimensi 4K prepreg. Setiap cetakan ditutup dengan pita Kapton untuk memperbaharui permukaan pada setiap iterasi pencetakan. Serat diletakkan di atas cetakan, dan kemudian bagian-bagiannya dimasukkan ke dalam kantong vakum dan diawetkan dalam autoklaf sebelum dibongkar dan dipotong. Cetakan yang dicetak tahan terhadap proses pengeringan lambat pada suhu 38 °C (100 °F) selama 10 jam, atau sebagai alternatif, proses pengeringan cepat pada suhu 126 °C (260 °F) selama satu jam tanpa kerusakan. Kedua bagian saluran karbon diikat pada langkah terakhir.

Tim menguji enam iterasi untuk satu cetakan tanpa melihat adanya degradasi yang signifikan. Kami memperkirakan sekitar 10-15 iterasi mungkin dilakukan untuk satu cetakan. Karena autoklaf digunakan untuk memberikan panas dan tekanan selama proses pengawetan dalam proses prepreg, cetakan yang dicetak hanya dapat menahan beberapa iterasi. Oleh karena itu, metode ini tidak direkomendasikan untuk produksi bervolume tinggi, namun merupakan cara terbaik untuk memproduksi batch jangka pendek dan suku cadang yang dapat disesuaikan secara massal. Hal ini memungkinkan berbagai aplikasi seperti peralatan olahraga berperforma tinggi, peralatan khusus untuk ruang angkasa, atau prostetik yang dipersonalisasi dan unik untuk pasien dalam layanan kesehatan. 

Terdapat permintaan yang tinggi untuk alur kerja yang menggabungkan kekuatan, daya tahan, dan ketangguhan komponen serat karbon tradisional dengan kelincahan, kemungkinan geometris, dan kemampuan pengulangan pencetakan 3D. Oleh karena itu tidak mengherankan jika banyak perusahaan percetakan 3D yang menawarkan pencetakan 3D serat karbon, dengan dua proses yang tersedia saat ini adalah pencetakan dengan serat cincang atau serat kontinu.

Dengan menggunakan serat karbon cincang, Bubuk Nilon 11 CF untuk printer 3D industrial Fuse 1+ 30W selektif laser sintering (SLS) memungkinkan produsen membuat komponen yang kuat, ringan, dan tahan panas, tanpa bergantung pada metode pelapisan atau pemesinan tradisional. 

Formlabs Nylon 11 CF Powder kuat, ringan, dan tahan panas, sehingga ideal untuk aplikasi otomotif, ruang angkasa, dan manufaktur.

Pembuatan polimer yang diperkuat serat adalah proses yang menarik, namun rumit dan padat karya. Penggunaan cetakan dan pola cetak 3D untuk membuat komponen serat karbon memungkinkan bisnis mengurangi kompleksitas alur kerja, memperluas fleksibilitas dan peluang desain, serta mengurangi biaya dan waktu pengerjaan. 

Untuk komponen pencetakan 3D langsung yang menawarkan banyak manfaat serat karbon, dengan keunggulan tambahan berupa fleksibilitas geometris dan proses yang lebih sederhana dan efisien, terdapat bahan seperti Formlabs Nylon 11 CF Powder untuk printer Fuse Series SLS 3D. 

Untuk mendiskusikan aplikasi Anda dan menemukan pendekatan terbaik bagi Anda dalam menggunakan pencetakan 3D untuk komponen serat karbon, hubungi tim kami. 


pencetakan 3D

  1. Pencetakan 3D di Dunia Berkembang
  2. Pasca Pemrosesan untuk Pencetakan 3D Industri:Tren Utama yang Harus Anda Ketahui
  3. Suku cadang mobil pencetakan 3D:semua yang perlu Anda ketahui
  4. Cara Memulai Pencetakan 3D untuk Dampak Bisnis Maksimum
  5. Bisakah Anda Sandblast Cetak 3D?
  6. PLA vs ABS 3D Printing. Ketahui Perbedaannya!
  7. PLA Tidak Berpegang teguh pada PEI? Perbaikan Mudah dan Panduan Berguna!
  8. 10 cara untuk meningkatkan keterampilan Steam dengan Mayku Formbox
  9. Ekosistem Lengkap Untuk Pencetakan 3D SLA Format Besar
  10. Bagaimana Teknologi Sintesis Cahaya Digital Carbon Mengubah Permainan untuk Pencetakan 3D