Druk 3D kompozytów wzmocnionych włóknem węglowym

Zhenyu Bo, Jia Choi, Ph.D.

MilliporeSigma, Milwaukee, WI

Jak włókna węglowe są wykorzystywane w druku 3D?

Druk 3D to rodzaj produkcji addytywnej, który może być wykorzystywany do szybkiego wytwarzania komponentów o wysoce konfigurowalnych geometriach, najczęściej przy użyciu procesu wytwarzania warstwa po warstwie. Druk 3D szybko przyciąga rosnące zainteresowanie zarówno ze strony społeczności naukowo-badawczej, jak i osób zajmujących się produkcją^1,2 ze względu na jego potencjał w zakresie umożliwienia taniej, wysoce elastycznej produkcji na niską i średnią skalę. Materiały termoplastyczne, które można stopić i ponownie uformować w zamierzone kształty, są obecnie jednym z najczęściej stosowanych materiałów w druku 3D. Chociaż materiały te zyskały szerokie zastosowanie w produkcji prototypów, zazwyczaj brakuje im stabilności termicznej, chemicznej i mechanicznej wymaganej do stosowania w funkcjonalnych lub nośnych komponentach wymaganych w zastosowaniach przemysłowych.²

Tworzywa sztuczne wzmacniane włóknami (FRP) zyskały ostatnio uwagę ze względu na ich potencjalne zastosowanie w druku 3D w celu zwiększenia wytrzymałości mechanicznej i elastyczności wytwarzanych części.^3-4 Te materiały kompozytowe mogą dorównać wytrzymałością wielu metalom, ale przy znacznie mniejszej wadze. W szczególności dodawanie włókien węglowych do żywic z tworzyw sztucznych staje się szeroko stosowaną strategią poprawy właściwości mechanicznych drukowanych części 3D.

Zalety tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym:⁴

• Wysoka wytrzymałość na rozciąganie
• Odporność chemiczna
• Sztywność
• Tolerancja temperaturowa
• Niska rozszerzalność cieplna

Rozszerzenie zastosowań tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym

Wiele firm już komercjalizuje drukarki 3D i materiały do druku przeznaczone do produkcji części kompozytowych wzmocnionych włóknem węglowym dla klientów z różnych branż.⁵ Obecnie drukowane w 3D części wykonane z kompozytów wzmocnionych włóknem węglowym są wykorzystywane w projektowaniu i budowie samochodów wyścigowych, dronów, sprzętu sportowego o wysokiej wydajności i wielu innych zastosowań, które wymagają lekkich, ale mocnych materiałów w celu zwiększenia wydajności produktu.^5,6

Procesy druku 3D dla tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym: FDM vs. SLS

Fused Deposition Modeling (FDM) i Selective Laser Sintering (SLS) to dwa procesy druku 3D, które są szeroko stosowane do tworzenia funkcjonalnych części przy użyciu materiałów wzmocnionych włóknem węglowym jako surowca. FDM jest procesem, który buduje części z tworzyw sztucznych za pomocą wytłaczania warstwa po warstwie podgrzanych materiałów filamentowych (Rysunek 1a).⁷ SLS, z drugiej strony, jest procesem wytwarzania części poprzez budowanie kolejnych warstw wykonanych z laserowo spiekanych materiałów proszkowych (Rysunek 1b).⁸ W zależności od warunków przetwarzania i wymagań projektowych gotowych części, może być wymagana obróbka poprocesowa, taka jak ogrzewanie.⁷

Rysunek 1. a) Ilustracja procesu FDM, b) Ilustracja procesu SLS

Materiały wymagane do przygotowania kompozytów wzmocnionych włóknem węglowym do druku 3D

W zależności od wymagań projektowych gotowych produktów i zainteresowań badawczych, można wybrać różne rodzaje żywic z tworzyw sztucznych i włókien węglowych, aby materiały kompozytowe nadawały się do druku 3D.

Tabela 1 Typowe materiały stosowane do produkcji kompozytów wzmacnianych włóknem węglowym

Typowe żywice termoplastyczne	Materiały wzmacniające
Akrylonitryl-butadien-styren (ABS)	Włókna węglowe
Poliwęglan (PC)	Nanorurki węglowe
Polilaktyd (PLA)	Grafen
Poliamid (PA)

Wytrzymałość mechaniczna gotowego produktu zależy w dużej mierze od rodzaju wybranej żywicy z tworzywa sztucznego, a także długości i obciążenia włókien węglowych.^7,8 Na przykład naukowcy donieśli o zastosowaniu włókien węglowych (150 µm / 100 µm) jako materiałów wzmacniających w celu poprawy wytrzymałości mechanicznej termoplastów ABS. Uzyskany w ten sposób kompozyt z 5% mas. włókien węglowych wykazał 20% wzrost modułu Younga i wytrzymałości na rozciąganie.⁷

Nanomateriały węglowe, takie jak nanorurki węglowe i grafen, mają unikalne właściwości fizyczne i chemiczne, które mogą zwiększać wytrzymałość na rozciąganie i stabilność termiczną materiałów z tworzyw sztucznych.⁹ 

Metody przygotowania kompozytów wzmocnionych włóknem węglowym

Aby materiały kompozytowe nadawały się do procesu FDM, granulki włókna węglowego i żywicy z tworzywa sztucznego są mieszane w blenderze/mieszalniku w celu wytworzenia mieszaniny włókna węglowego i żywicy z tworzywa sztucznego. Następnie mieszanina jest podawana do wytłaczarki w celu wytworzenia filamentu używanego w procesie FDM (Rysunek 2a).⁷ Aby przygotować materiały do procesu SLS, włókna węglowe i żywice z tworzyw sztucznych są najpierw rozpuszczane w rozpuszczalniku organicznym w celu uzyskania jednorodnej mieszaniny. Rozpuszczalnik ten jest następnie usuwany w celu wytrącenia proszku, który składa się z włókna węglowego i tworzyw sztucznych. Proszek jest następnie kruszony i mielony przed użyciem w procesie SLS (Rysunek 2b).⁸

Rysunek 2. a) Ilustracja przygotowania materiałów dla procesu FDM, b) Ilustracja przygotowania materiałów dla procesu SLS.

1. Kumar S, Kruth J. 2010. Composites by rapid prototyping technology. Materials & Design. 31(2):850-856. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2009.07.045

2. Tekinalp HL, Kunc V, Velez-Garcia GM, Duty CE, Love LJ, Naskar AK, Blue CA, Ozcan S. 2014. Highly oriented carbon fiber?polymer composites via additive manufacturing. Composites Science and Technology. 105144-150. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2014.10.009

3. Nikzad M, Masood S, Sbarski I. 2011. Thermo-mechanical properties of a highly filled polymeric composites for Fused Deposition Modeling. Materials & Design. 32(6):3448-3456. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.01.056

4. Mallick P. Fiber-Reinforced Composites. https://doi.org/10.1201/9781420005981

5. End-Use Parts. [Internet].[cited 31 Jul 2016]. Available from: https://markforged.com/application/end-use-parts/

6. Additive Manufacturing Services. [Internet].[cited 31 Jul 2016].

7. Ning F, Cong W, Qiu J, Wei J, Wang S. 2015. Additive manufacturing of carbon fiber reinforced thermoplastic composites using fused deposition modeling. Composites Part B: Engineering. 80369-378. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2015.06.013

8. Yi X, Tan Z, Yu W, Li J, Li B, Huang B, Liao J. 2016. Three dimensional printing of carbon/carbon composites by selective laser sintering. Carbon. 96603-607. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2015.09.110

9. Dul S, Fambri L, Pegoretti A. 2016. Fused deposition modelling with ABS?graphene nanocomposites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 85181-191. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2016.03.013