Komposit dan rahasia untuk meringankan suku cadang mesin CNC

Ringan adalah proses mengurangi berat bagian untuk alasan lingkungan dan/atau ekonomi. Insinyur mencapai bagian-bagian yang ringan pada tingkat desain dengan menghilangkan material yang tidak perlu, baik dengan membuang bagian-bagiannya, menggunakan kisi-kisi dalam desain mereka, atau memanfaatkan optimasi topologi. Metode ringan lainnya yang efektif adalah menukar bahan yang berat dengan yang lebih ringan yang memenuhi persyaratan mekanis kritis. Suku cadang yang lebih ringan lebih ramah lingkungan, lebih hemat biaya, dan lebih hemat bahan bakar, serta sering kali menawarkan lebih banyak pilihan material kepada tim produk.

Lighting adalah teknik yang sangat populer di industri otomotif, dirgantara, dan konstruksi. Aplikasi umum untuk bobot ringan di industri otomotif — salah satu kasus penggunaan yang paling menonjol — termasuk blok mesin, sasis, dan berbagai macam suku cadang lainnya. Jika tim produk tidak mengejar bobot ringan melalui elemen desain seperti kisi, tetapi melalui penggabungan material yang lebih ringan, penting bagi mereka untuk menggunakan material yang tidak mengorbankan kekuatan atau daya tahan — komposit sering kali sesuai dengan kebutuhan.

Apa itu material komposit?

Bahan komposit adalah campuran heterogen dari dua atau lebih bahan yang dirancang untuk mencapai sifat tertentu. Sifat akhir dari bahan komposit pada akhirnya akan bergantung pada susunannya, tetapi secara umum, komposit lebih kuat daripada bahan dasar itu sendiri.

Bahan komposit ideal untuk ringan karena, berdasarkan berat, mereka lebih kuat daripada kebanyakan bahan homogen berkinerja tinggi di pasaran. Struktur yang paling umum untuk komposit terdiri dari serat yang disatukan oleh matriks pengikat. Komponen-komponen ini bekerja sama untuk menggabungkan aspek terkuat dari masing-masing. Serat penguat dalam komposit membawa beban sementara matriks sekitarnya, sering terdiri dari polimer, memastikan serat mempertahankan posisi relatifnya. Akibatnya, dalam beberapa kasus komposit bisa sampai 10 kali lebih kuat dari baja dan 8 kali lebih kuat dari aluminium, tapi masih sangat ringan. Suku cadang mesin CNC yang dibuat dengan material komposit ringan lebih hemat bahan bakar dan lebih mudah diangkut atau dipasang.

Selain kekuatan tinggi, daya tahan, dan bobot rendah, material komposit cenderung menawarkan peningkatan fleksibilitas desain. Mereka dapat dengan mudah dicetak agar sesuai dengan geometri kompleks, membuatnya ideal untuk digunakan dengan mesin CNC. Dan karena ada begitu banyak kombinasi material yang tersedia untuk komposit, desainer dapat menemukan komposit CNC yang dibuat khusus yang sesuai dengan kebutuhan unik mereka.

Bahan bangunan komposit umum

Dua klasifikasi bahan komposit yang paling berlaku untuk ringan adalah komposit matriks polimer (PMCs) dan komposit matriks logam (MMCs). PMC, juga dikenal sebagai polimer yang diperkuat serat, adalah yang paling umum dan menggunakan resin berbasis polimer untuk matriks dan serat karbon atau kaca untuk penguat. MMC populer untuk bahan ringan di industri otomotif dan menggunakan logam seperti aluminium untuk matriks dan silikon karbida untuk penguatan serat.

Komposit ringan dapat dibuat dari banyak kombinasi material yang berbeda, sehingga para insinyur memiliki banyak hal yang harus dicakup dalam hal pemilihan material. Berikut adalah tiga bahan bangunan komposit umum yang digunakan untuk meringankan komponen mesin CNC.

1. Karbon

Serat karbon datang dalam dua varietas utama - karbon berbasis poliakrilonitril (PAN) dan karbon turunan pitch. 90% serat karbon yang ada di pasaran saat ini berbasis poliakrilonitril, dan serat ini menawarkan nilai kekakuan dan modulus yang tinggi, serta nilai kekuatan terhadap berat yang mengesankan. Karbon sangat cocok untuk bahan ringan karena merupakan material komposit berdensitas rendah dengan potensi pengurangan berat yang tinggi — bahkan 50% lebih ringan dari baja.

Aplikasi umum untuk komposit serat karbon mesin CNC termasuk bingkai, sasis, dan komponen lain di industri kedirgantaraan dan otomotif. Sayangnya, biaya adalah batasan paling signifikan dari karbon. Ini 570% lebih mahal daripada baja, menurut International Research Journal of Engineering and Technology, yang sangat mahal bagi banyak tim produk. Selain itu, serat karbon memiliki ketahanan benturan yang rendah, yang harus diperhatikan oleh para insinyur untuk bahan ringan di industri otomotif.

2. Kaca

Bahan pengisi komposit kaca hadir dalam lima komposisi komersial yang berbeda — E-glass, C-glass, S-glass, R-glass, dan T-glass. E-glass adalah serat kaca yang paling umum digunakan dalam matriks polimer untuk ringan dan menawarkan sifat mekanik yang sangat baik, isolasi listrik yang tinggi, dan kerentanan rendah terhadap kelembaban. Serat C-glass paling baik untuk aplikasi di mana bagian tersebut memerlukan ketahanan kimia, tetapi S-glass memiliki kekuatan, ketahanan panas, dan modulus yang lebih tinggi.

Pengisi kaca masih dapat digunakan sebagai bahan komposit untuk ringan, tetapi insinyur harus tahu bahwa bagian yang diperkuat serat kaca akan lebih berat daripada bagian yang diperkuat serat karbon dan memerlukan akomodasi desain khusus dalam aplikasi di mana kekakuan tinggi diperlukan. Tim produk dan desainer harus mengingat faktor-faktor ini selama fase desain. Terlepas dari keterbatasan ini, banyak produk menggunakan serat kaca karena jauh lebih hemat biaya daripada serat karbon.

3. Aluminium

Komposit matriks logam berbasis aluminium sangat populer untuk bahan ringan di industri otomotif. Secara umum, paduan aluminium memiliki beberapa rasio kekuatan-terhadap-berat tertinggi dari logam yang umum tersedia, menawarkan konduktivitas listrik yang sangat baik, dan sangat tahan korosi. Terlebih lagi, komposit aluminium memiliki berat sekitar sepertiga dari berat baja.

Ketika aluminium termasuk dalam MMC, material komposit dapat memiliki modulus yang lebih tinggi, koefisien ekspansi termal yang lebih rendah, dan kekerasan yang lebih tinggi daripada aluminium yang tidak diperkuat. Aplikasi umum dalam industri otomotif termasuk rangka kendaraan, kabel listrik, roda, suku cadang mesin, dan banyak lagi. Sayangnya, bekerja dengan aluminium dapat menaikkan biaya produksi.

Memulai komposit CNC

Untuk insinyur yang ingin membuat suku cadang yang kuat, fleksibel, dan tahan kerusakan mesin tanpa menambahkan beban ekstra, material komposit adalah pilihan yang sempurna untuk bobot ringan. Matriks polimer dan komposit matriks logam mewakili dua kategori besar bahan komposit, dan setiap komposit yang termasuk dalam salah satu kategori ini dapat dibuat dari banyak kombinasi bahan yang berbeda. Oleh karena itu, tim produk dapat kesulitan untuk memastikan bahwa mereka memilih material komposit yang tepat untuk proyek mereka.

Mitra manufaktur berpengalaman seperti Fast Radius dapat membantu tim produk menguasai proses pemilihan material. Tim ahli desainer, insinyur, masinis, dan teknolog kami memiliki pengalaman puluhan tahun dalam mengantar tim melalui seluruh proses pengembangan produk, jadi kami tahu bahwa bagian yang luar biasa dimulai dengan bahan yang tepat. Hubungi kami hari ini — kami siap membantu.

Untuk kiat selengkapnya tentang cara memaksimalkan pemesinan CNC, lihat artikel blog terkait di pusat sumber daya Radius Cepat.

Siap membuat suku cadang Anda dengan Radius Cepat?

Mulai kutipan Anda