Под короткими волокнами мы подразумеваем более мелкие кусочки волокнистого материала, длина которых может варьироваться от нескольких сантиметров до нескольких миллиметров и даже меньше. Это процесс, аналогичный тому, который используется для армирования бетона кусками арматуры. Волокна распределены по пластиковой матрице и действуют как армирование всего материала. С другой стороны, длинные или непрерывные волокна представляют собой длинные пряди, которые простираются по всей длине печатной детали. Эти волокна внедряются в пластиковую матрицу в процессе 3D печати, создавая композитный материал, сочетающий в себе свойства обоих.

В обоих случаях мы обнаруживаем один и тот же состав: армирование (волокно) и матрица (полимер). Первый обеспечивает механические свойства, а второй играет роль связующего, которое отвечает за сцепление двух элементов, то есть сцепление волокна с материалом в процессе производства. После того, как выбраны матричные соединения (наиболее распространенные полимеры — PLA, ABS , полипропилен , HIPS , PETG и т. д.) и армирующие волокна (стекло, углерод или арамид), они объединяются в один материал.

Короткие волокна можно получить методом экструзии: смесь волокон и матрицы плавится и экструдируется с образованием одной нити. Во время этого процесса можно контролировать температуру и скорость, чтобы обеспечить хорошее распределение волокон. С другой стороны, непрерывные волокна, когда они образуют нити, могут быть экструдированы со специальной смолой посредством процесса, в котором смесь смешивается, полимеризуется и затвердевает со смолой. В некоторых случаях существуют производственные системы, которые непосредственно формуют матрицу и арматуру одновременно при нанесении последовательных слоев, но к этому мы вернемся позже. В обоих случаях короткие и длинные волокна должны быть чистыми и свободными от загрязнений, чтобы обеспечить хорошую адгезию к полимерной матрице.

Если обратить внимание на свойства самих армированных материалов, они существенно различаются в зависимости от используемого в качестве матрицы полимера и выбора типа волокна. Очевидно, что если базовым пластиком будет технополимер, то композит будет обладать более совершенными свойствами, чем стандартные матричные пластики. Например, если композит имеет полипропиленовую матрицу, он будет обладать хорошей базовой износостойкостью, хорошей способностью поглощать удары, а также большей прочностью и гибкостью. С другой стороны, если используется PLA, композит будет легче печатать, но он будет иметь большую склонность к разрушению из-за низкой прочности материала.

Как мы уже упоминали, существует три основных типа волокон: короткие и непрерывные: углеродные, стеклянные и арамидные (кевлар). Углеродные волокна чаще всего используются в обрабатывающей промышленности из-за высокой прочности и жесткости, которые они придают конечным деталям. Армирование из стекловолокна, как правило, более доступно, а также обеспечивает хорошую прочность, хотя и не такую ​​высокую, как углерод. Наконец, кевларовые волокна часто используются в бронежилетах из-за их высокой устойчивости к ударам. Во всех случаях целью использования волокон является получение прочных и легких деталей.

Большинство 3D принтеров, способных работать композитными материалами, основаны на экструзии. Когда дело доходит до 3D печати материалов с короткими волокнами методом FFF, процесс ничем не отличается от классического. Материал в виде катушки с нитью загружается в принтер для формирования детали слой за слоем. Однако потребуется специальное сопло для печати абразивными материалами. С другой стороны, 3D печать длинноволокнистыми композитами более сложна. В процессе экструзии материала часто требуется второе сопло для раздельного нанесения матрицы и волокна. Альтернативой является использование одной печатающей головки, способной смешивать волокно с матрицей. Этот процесс включает размещение непрерывных волокон в определенном направлении внутри матрицы. Последний действует как оболочка, содержащая армирующие волокна. Для обеспечения сцепления волокон с матрицей обычно используют термореактивную смолу. Затем его полимеризуют с использованием УФ-света или источника тепла для сплавления слоев и материалов. Описание процесса намеренно носит общий характер, поскольку существует множество запатентованных технологий 3D печати длинноволокнистыми композитамит.

Важным аспектом печати с использованием волокон, особенно непрерывных волокон, является использование программного обеспечения для анализа методом конечных элементов (FEA), которое представляет собой компьютеризированный метод прогнозирования того, как продукт будет реагировать на силы и внешние раздражители. Это дает возможность проанализировать характеристики материала и точно определить схему, по которой длинные волокна должны располагаться в матрице. С другой стороны, это также подразумевает соблюдение определенных конструктивных ограничений. Поэтому конкретные свойства материала будут определяться в соответствии с контролируемым процессом. Для коротких волокон ситуация иная, поскольку невозможно контролировать количество и положение наносимых волокон.

Как мы знаем, среди основных преимуществ композитной 3D печати — большая гибкость и скорость производства, а также возможность создавать сложные детали по сравнению с более традиционными методами. Кроме того, важным преимуществом этой технологии при условии использования непрерывных волокон является то, что она позволяет контролировать процесс наплавки и решать, где и как разместить армирование для готовых деталей. Оба типа волокон обладают большей механической прочностью, чем неармированные пластики. В частности, они улучшают жесткость материала и повышают его устойчивость к усталости и ударам. Кроме того, такие волокна, как углеродные волокна, очень легкие, что помогает снизить вес деталей. Аналогично, короткие и длинные волокна имеют определенные ограничения. Например, необходимость специального оборудования для 3D печати. При обработке композитных материалов необходимо учитывать многие аспекты, такие как адгезия между волокном и пластиковой матрицей, что тоже может быть проблемой.

Основным ограничением коротких волокон по сравнению с длинными волокнами является то, что они обеспечивают менее эффективное армирование. Действительно, ориентация и распределение коротких волокон по композиту более хаотичны, тогда как непрерывные волокна постоянны. Поэтому армирующий эффект коротких волокон менее выражен, чего может быть недостаточно для применений, требующих высокой прочности. Однако одним из основных преимуществ композитов с короткими волокнами является то, что их легче обрабатывать и, как правило, они дешевле, чем композиты с непрерывными волокнами. Наконец, короткие волокна можно использовать с более широким спектром пластиковых материалов, что обеспечивает большую гибкость конструкции.

Выбор волокна и полимерной матрицы, очевидно, зависит от области применения и требуемых характеристик. Длинные волокна идеально подходят для применений, требующих высокой прочности и жесткости, тогда как короткие волокна лучше подходят для проектов, требующих простоты обработки и снижения затрат. Вот почему непрерывные волокна чаще всего используются для структурных компонентов в высокотехнологичных секторах, таких как автомобилестроение (усиление шасси или внутренние компоненты) или аэрокосмическая промышленность (опорные конструкции и компоненты самолетов). Их также можно использовать в потребительских товарах, требующих высокой прочности, таких как велосипеды или спортивное оборудование.

Композиты с короткими волокнами также часто используются для производства прототипов. Они широко применяются для изготовления деталей в упаковочной промышленности, робототехнике, потребительских товарах и других компонентах, не требующих высокой прочности на разрыв.

Существует два основных типа армированных волокон - короткие и длинные. Материалы с короткими волокнами широко распространены и могут использоваться вместе с большинством FDM/FFF принтеров. Они легко обрабатываются и могут широко использоваться как в прототипировании, так и в производстве конечных продуктов. 3D печать материалами с длинными армирующими волокнами - это сложный контролируемый процесс, для которого требуется специальное оборудование. Волокна и связующий материал поступают одновременно, образуя прочное соединение. Использование таких материалов особенно необходимо там, где требуются детали со стабильными высокими характеристиками.

В DigitalCraft3D мы помогаем подобрать материалы и технологии для печати деталей любой сложности. Узнайте, как изготовить деталь по вашему проекту у менеджера DC3D!