Углеволокно в строительстве: Применение углеволокна в строительстве | ИнноваСтрой

Содержание

Применение углеволокна в строительстве | ИнноваСтрой

Немного истории: как появился карбон 

На сегодняшний день углерод в том или ином виде востребован практически во всех промышленных отраслях. Особенностью и главным его преимуществом является то, что он способен гармонично дополнять традиционные строительные материалы, будь то стекло, метал, дерево или бетон или же и вовсе заменить их, что весьма выгодно и для человека, и для природы.

 

Открыт углерод еще в 1880 году Т. Эдисоном в процессе исследования нити лампы накаливания. Благодаря зарубежным производителям и промышленникам углеволокно стало активно применяться в различных отраслях, в том числе и в строительстве. На территории нашей страны последние проекты с использованием углеволокна разрабатывались еще в советские времена, потому сейчас они активно реанимируются инженерами.

Углеволокно: характеристика материала и особенности его использования 

Углеродное волокно является продуктом искусственного происхождения и относится к полимерам с композитной структурой. Формируется из тонких нитей (диаметр от 3 до 15 микрон), а нити, в свою очередь, из атомов углерода, которые объединяются в кристаллическую сетку. За счёт физических особенностей атома углерода, кристаллы в сетке располагаются параллельно относительно друг друга. Такое выравнивание является ключевым фактором, который способствует повышенной прочности волокна на растяжение.

 

Широкое использование углеволокна в аэрокосмической сфере и оборонной промышленности, а также для сооружения зданий обосновано тем, что по твердости материал значительно превосходит металл. Углеволокно в строительстве начали использовать в 1980 году в Калифорнии для укрепления построек, находящихся в сейсмически активной зоне. В отечественном строительстве материал применяется, как правило, в процессе ремонтных работ, но его популярность и сфера использования постепенно растет.

 

Технические характеристики и плюсы применения в строительстве 

Столь продолжительный эксплуатационный срок углеволокна обусловлен такими характеристиками:

 

  • Отличная адгезия к поверхностям с различной структурой.
  • Высокая устойчивость к коррозийным процессам.
  • Лёгкость и прочность. Благодаря тому, что углеволокно обладает поразительной лёгкостью, его используют в системах армирования, что позволяет снизить нагрузку на фундамент здания.
  • Изоляция от влаги. Поверхность углепластикового волокна является глянцевой, что исключает возможность его реакции с водой.
  • Высокая огнеупорность и ударопрочность.
  • При использовании для армирования, можно наносить материал в несколько слоёв.
  • Проведение ремонтных работ любого типа, где возможно применение углеволокна, может осуществляться без прекращения эксплуатации самого здания.
  • Является полностью токсически безопасным и экологически чистым.
  • Высокая степень универсальности. Может использоваться при армировании конструкций практически любых конфигураций: на ребристых поверхностях, закругленных и угловых элементах, балочных сегментах рамных конструкций и пр.

 

Составляющей углеродного волокна является полиакрилнитрит, который предварительно обрабатывается высокой температурой (в пределах 3000° — 5000°С). Учитывая вышеописанные технические характеристики, наиболее частой сферой применения углеволокна в строительстве является внешнее армирование.

 

При этом волокно пропитывается двухкомпонентной эпоксидной смолой, которая выступает связующим веществом. Монтаж производится аналогично обоям – материал просто наклеивается на поверхность конструкции, которая укрепляется.

Использование именно эпоксидной смолы в качестве связующего вещества обусловлено следующими особенностями материала:

 

  1. Такая смола имеет высокие адгезивные свойства по отношению к бетонным поверхностям.
  2. Компоненты углеволокна и смолы вступают между собой в химическую реакцию, в результате которой углеводород приобретает жёсткость пластика и становится прочнее стали в 7 раз.

 

Благодаря таким характеристикам углеволокно занимает лидирующие позиции среди композитных материалов. Прочность материала на разрыв в 4 раза превосходит сталь лучших марок, несмотря на то, что он на 75% легче железа и на 30% алюминия. Удельный вес углеродного волокна относительно низкий, а при нагревании материал расширяется незначительно, что обеспечивает возможность применение углеволокна в различных климатических зонах.

 

Недостатки углеволокна

 

Список недостатков карбона короткий, но обязательно должны быть учтены при планировании строительства. Выделяют три основных недостатка:

 

  1. Углеволокно является хорошим отражателем электрических волн.
  2. Материал отличается высокой стоимостью в сравнении с аналогами.
  3. Изготовление композита более трудоёмкое, чем производство металла.

 

Применение углеродного волокна в строительстве: основные варианты 

Эффективность карбона позволяет успешно применять его для армирования конструкций из дерева, кирпича или железобетона. Согласно СНиП и ГОСТ, сооружение, усиленное таким материалом, становится прочнее на сжатие до 120%, а на изгиб получает еще плюс 65% прочности.

 

Помимо такого варианта использования, углеродное волокно также успешно используется для реставрации каменных конструкций, к примеру, балок и опор бетонных мостов. В частном строительстве усиление фундамента или стен посредством карбона придаст сооружению большой запас прочности.

 

Усиление построек с помощью армирования карбоном необходимо в таких случаях:

 

  • Конструкция была повреждена, в результате чего её несущая способность снизилась, стали появляться трещины.
  • Изменились условия эксплуатации помещения, возросли нагрузки на него.
  • Планируется постройка здания в сейсмически активной зоне.
  • Для устранения разрушений бетона и коррозийных процессов в арматуре, если постройка долгое время подвергалась агрессивному воздействию внешней среды.

 

Если углеродное волокно было выбрано на этапе проектирования постройки, как один из компонентов системы внешнего армирования, то в работе следует руководствоваться Сводом правил 164. 1325800.2014.

 

Производя армирование самостоятельно, нужно учитывать, что наклеивание карбона осуществляется в зонах наибольшей нагрузки: как правило, это центральная часть пролета, которая соприкасается с нижней гранью. Для работы с изгибами можно выбрать любой тип материала – ленты, сетки или ламели.

 

В процессе армирования балок может возникнуть необходимость дополнительного укрепления приопорных зон, что повысит несущую способность всей конструкции при поперечной нагрузке. Для этого используют U-образные хомуты из лент или сеток.

 

Где следует осуществлять внешнее армирование карбоном 

 

Углеволокно в строительстве может быть использовано для усиления зданий и сооружений из таких материалов:

 

  1. Камень. Сюда относят столбы, пилоны, кирпичные дома. Углеволокно применимо здесь как в процессе постройки, так и для проведения рементных работ.
  2. Железобетон. Здесь углеродное волокно может быть использовано для гидротехнических построек, мостов, паток архитектуры.
  3. Металл. Такие сооружения имеют близкий к углеволокну модуль прочности и упругости, но их усиление все равно необходимо, особенно в зонах с неустойчивыми грунтами.

 

Условия успешного процесса армирования внешних конструкций

 

Чтобы процесс усиления постройки прошёл максимально эффективно, следует обеспечить ряд таких условий:

 

  • Надежное сцепление с поверхностью здания. Чем лучше армирующая сетка из углеволокна будет приклеена к конструкции, тем более эффективной будет передача усилий на неё.
  • Отсутствие естественной влаги. Важно обеспечить сухость поверхности, армирование которой будет проводиться.
  • Материалы, используемые в работе (особенно клеевые составы) должны отличаться высоким качеством и отличными характеристиками для обеспечения максимальной эффективности.

Профессиональное внешнее армирование углеволокном 

Несмотря на возрастающую популярность использования углеродного волокна, технология его применения остаётся достаточно сложной для домашнего мастера. Потому если вы хотите осуществить строительные или ремонтные работы с таким композитным материалом, то следует доверить это профессионалам. Компания ИнноваСтрой уже много лет успешно осуществляет проекты по возведению объектов разной сложности.

 

Нашей фирме по силам любые задачи: начиная от проектирования постройки до сдачи готового объекта с отделкой. Что касается углеволокна, то это очень дорогой материал, который требует определенных навыков его монтажа, а также наличие специального оборудования. Для успешного выполнения армирования следует подготовить поверхность и сам композитный материал, правильно осуществить его монтаж (что зависит от типа конструкции), а затем грамотно нанести следующие слои.

 

ИнноваСтрой готова взяться за весь спектр работ по армированию постройки, а также выполнить ремонтные работы уже готовых сооружений с укреплением их карбоном. Мы работаем в строительной сфере уже не первый год и знаем территориальные особенности каждого региона, а потому сможем рассчитать целесообразное количество материала.

 

Сотрудничество домов и коттеджей с нами является гарантией таких преимуществ:

 

  • Мы можем проводить встречи с клиентами удаленно. Данная функция наиболее выгодна, когда у заказчика нет возможности посетить наш офис лично. В таком случае, мы предлагаем связь по Скайпу или посредством другой удобной программы.
  • Приемлемые цены на услуги строительной компании. Стоимость наших работ всегда очень разумна и рассчитывается исходя из определенных критериев.
  • Индивидуальный подход. Каждый клиент очень ценен для нас, потому мы выслушиваем все ваши требования или пожелания по проекту и выполняем работу так, как было согласовано.
  • Широкий спектр предоставляемых услуг. Наш штат имеет квалифицированных специалистов из разных отраслей строительства и отделки помещений.

 

Убедиться в нашем профессионализме вы можете, связавшись с менеджером компании по телефону. Мы с радостью ответим на все ваши вопросы и предоставим консультацию. Настало время заказать индивидуальный проект дома и получить жилье своей мечты!

Углеволокно материал будущего в строительстве — RMNT

В статье изложена информация об углеволокне, его особенностях, свойствах и характеристиках. Мы расскажем об истории его создания, а также озвучим познавательные факты. Вы узнаете, как применить углеволокно в быту и строительстве, а также, как своими силами отремонтировать пластик.

Изделия из тканей, волокон, шнуров и лент, выполненных из современных углеводородов, успешно конкурируют по всем эксплуатационным показателям с привычными нам изделиями из стали и бетона. При этом они имеют в десятки, а порой и в сотни раз меньшую толщину и вес. Как можно объяснить человеку с устоявшимися взглядами тот факт, что пропитанный отвердевшей смолой холст толщиной всего 3 мм прочнее по всем показателям, чем техническая фанера 15 мм? Только опытным и демонстративным путём.

Углеволокно — материал будущего, родом из прошлого

Материал был открыт Томасом Эдисоном в 1880 году в рамках исследований нити лампы накаливания. В последние 10 лет, с подачи зарубежных коллег в виде поставок дорогостоящих изделий из углеволокна, отечественные разработчики и производители занялись реанимацией углеводородных проектов, начатых в советский период, по всем направлениям.

Всем известно, что углерод востребован в любой форме, в каждой отрасли промышленности.

Это производство буквально всего, что сделано не из металла, стекла, дерева или бетона. Но главным его преимуществом является то, что он способен не только дополнить традиционные материалы, но и заменить их с выгодой для человека и природы.

Видеорепортаж о российском производстве углеволокна

Углеволокно в строительстве

Этот современный материал начинает пользоваться спросом у ремонтников и строителей. Причины этого кроются в свойствах его компонентов:

  1. Высокая прочность нитей, из которых создано полотно.
  2. Исключительная адгезия полимерного связующего (эпоксидного клея).

Комбинация этих свойств даёт высокую эффективность при устройстве наружного армирования железобетонных, кирпичных и деревянных конструкций. Усиленный таким образом элемент получает дополнительно до 65% прочности на изгиб и до 120% прочности на сжатие. Это звучит маловероятно, но проведённые согласно ГОСТ, ТУ и СНиП испытания подтверждают это.

Испытания балок, армированных углеволокном, на видео

Усиленные углеволокном ж/б элементы — испытания на видео

Тому, кто собирается строить каменный дом или бассейн, делать капитальный ремонт, или реставрацию, стоит задуматься о карбоновом усилении. Существенное увеличение прочности позволяет уменьшить объём материала основы. То есть, холст держит огромные нагрузки, главное, было бы на что его наклеить.

Так, армирование композитом увеличивает прочность на сжатие почти вдвое с 280 кН до 520 кН (см. видео испытаний). Это значит, что объём опорного элемента — несущей стены, колонны, столба — можно смело уменьшать на 60–80%. Особое значение это имеет для отдалённых районов, куда затруднена доставка тяжёлого стройматериала.

Вторая основная область применения карбона в строительстве — реставрация несущих каменных элементов. Оклеечным армированием восстанавливают опоры и балки бетонных мостов. Это наиболее ответственные государственные объекты и их надёжность доверяют углеволокну. В частном строительстве нагрузки в десятки раз ниже, а значит, усиление фундамента или углов стен будет с огромным запасом прочности. Это прекрасная альтернатива традиционным способам — подливка фундамента бетоном или установка подобных стен.

Ещё одно полезное свойство композитного материала — его нетоксичность и безвредность после полимеризации. В готовом виде он имеет глянцевую поверхность и не вступает в реакцию с водой. Это будет интересно для того, кто решил возвести бассейн, водоём, кессон, силосную яму, отстойник или каменный септик. Для этого достаточно будет возвести стены в полкирпича с кладочной сеткой и оклеить с обеих сторон углеволокном. Застывший материал будет служить гидроизоляцией. Его монтаж аналогичен устройству армировочной сетки для утеплителя.

Стоимость таких работ будет составлять:

  1. Углеволоконный холст — от 20 до 30 у.  е. за 1 м2.
  2. Полимерное связующее с отвердителем — от 3 до 5 у. е. по расходу на 1 м2.
  3. Услуги по усилению каменных конструкций под ключ в среднем по России стоят 125 у. е. за 1 м2. В стоимость входит расчёт, доставка, материал и работа.

Применение углеволокна для ремонта

Свойства холста быть сначала гибким и эластичным, а после пропитки смолой исключительно прочным, можно (и нужно!) использовать и в повседневной жизни. В основном это касается ремонта или замены сломанных пластиковых деталей. С помощью этого материала можно склеить практически всё, а то, что склеить по каким-то причинам нельзя, можно воссоздать, используя испорченную деталь в качестве матрицы.

Ремонт стержня из стеклопластика

Рассмотрим возможность ремонта рукоятки молотка или топора при помощи углеволоконного рукава. Большинство полупрофессиональных ударных инструментов имеют рукояти из материала на основе стекловолокна — того же, что используют для производства высококачественных хоккейных клюшек.

Для ремонта потребуется:

  1. Инструмент — тиски, ротационная шлифмашина с наждачной бумагой, направляющая струбцина, строительный фен, кисти.
  2. Материал — рукав из углеволокна или холста, высокопрочный двухкомпонентный клей, полимерная смола и отвердитель. Всего клеящей смеси потребуется около 50 мл.
  3. Защитные средства — очки, респиратор, резиновые перчатки.

Порядок работы:

  1. Зачистить края разлома шлифмашиной, сохраняя место контакта.
  2. Зажать в тисках одну часть и выставить на струбцине вторую, примерив по плоскости.
  3. Нанести на контактные поверхности (разлом) клей и соединить две части на струбцине. Обмазать клеем место разлома. Тщательно проверить соосность обеих частей. Время выдержки — 6–8 часов (по инструкции).
  4. Снять струбцину и зачистить место соединения, сделав заглубление в тело стержня на 1–2 мм.
  5. Сделать разметку. Т. к. оклейка рукавом будет производиться в два этапа, верхний слой перекроет нижний. От оси соединения отложить для первого слоя — 3,5 см, для второго — 6 см в каждую сторону. Отрезать два куска рукава по размерам.
  6. Сделать полимерный раствор из смолы и отвердителя в пропорциях согласно инструкции и обильно нанести его на место соединения по меньшей разметке.
  7. Завести отрезок рукава к месту приклеивания и аккуратно уложить его на клей и обжать руками.
  8. Затем нанести ещё один слой клея и завести второй (больший) отрезок рукава. Прижать его аналогичным образом. Пропитать весь участок клеем.
  9. Создать временный зажим — приложить с двух сторон полосы упругого материала, замотать скотчем и сдавить струбцинами (не очень туго). Время выдержки — 6–8 часов.
  10. 1Зачистить место соединения шлифмашиной и довести вручную.
  11. Технически изделие готово, его можно использовать с обычной нагрузкой через 12 часов. Отремонтированное изделие можно окрасить.

Ремонт рукоятки из стеклопластика на видео

Технологию ремонта предлагает фирма SRS (значит, речь идёт о профессиональном спорте — нетрудно представить, какие нагрузки выдерживает изделие после ремонта).

С помощью углеволокна указанным способом можно также починить вещи, которые ранее было принято заменять:

  1. Ножки мебели.
  2. Ручки пылесоса, зонта или ножа.
  3. Корпуса бытовой и офисной техники, инструмента.
  4. Оправы очков (понадобится карбоновая нить или лента).
  5. Любую неметаллическую деталь автомобиля, мототехники, велосипеда — от бампера до дверной ручки.
  6. Пластиковое окно или подоконник и многое другое.

Безусловно, весь спектр достоинств и возможностей передового многофункционального материала невозможно отобразить в одной статье. Домашнему мастеру достаточно знать о нём одно — для того, кто имеет в арсенале холст и ленту из углеволокна и эпоксидные компоненты, проблемы ломаного пластика не существует.

Виталий Долбинов, рмнт.ру

Углеволокно — материал будущего в строительстве

В статье изложена информация об углеволокне, его особенностях, свойствах и характеристиках. Мы расскажем об истории его создания, а также озвучим познавательные факты. Вы узнаете, как применить углеволокно в быту и строительстве, а также, как своими силами отремонтировать пластик.

 

Изделия из тканей, волокон, шнуров и лент, выполненных из современных углеводородов, успешно конкурируют по всем эксплуатационным показателям с привычными нам изделиями из стали и бетона. При этом они имеют в десятки, а порой и в сотни раз меньшую толщину и вес. Как можно объяснить человеку с устоявшимися взглядами тот факт, что пропитанный отвердевшей смолой холст толщиной всего 3 мм прочнее по всем показателям, чем техническая фанера 15 мм? Только опытным и демонстративным путём.

 

 

Углеволокно — материал будущего, родом из прошлого

 

Материал был открыт Томасом Эдисоном в 1880 году в рамках исследований нити лампы накаливания. В последние 10 лет, с подачи зарубежных коллег в виде поставок дорогостоящих изделий из углеволокна, отечественные разработчики и производители занялись реанимацией углеводородных проектов, начатых в советский период, по всем направлениям.

Всем известно, что углерод востребован в любой форме, в каждой отрасли промышленности. Это производство буквально всего, что сделано не из металла, стекла, дерева или бетона. Но главным его преимуществом является то, что он способен не только дополнить традиционные материалы, но и заменить их с выгодой для человека и природы.

 

 

Углеволокно в строительстве

 

Этот современный материал начинает пользоваться спросом у ремонтников и строителей. Причины этого кроются в свойствах его компонентов:

1.  Высокая прочность нитей, из которых создано полотно.

2.  Исключительная адгезия полимерного связующего (эпоксидного клея).

Комбинация этих свойств даёт высокую эффективность при устройстве наружного армирования железобетонных, кирпичных и деревянных конструкций. Усиленный таким образом элемент получает дополнительно до 65% прочности на изгиб и до 120% прочности на сжатие. Это звучит маловероятно, но проведённые согласно ГОСТ, ТУ и СНиП испытания подтверждают это.

Тому, кто собирается строить каменный дом или бассейн, делать капитальный ремонт, или реставрацию, стоит задуматься о карбоновом усилении. Существенное увеличение прочности позволяет уменьшить объём материала основы. То есть, холст держит огромные нагрузки, главное, было бы на что его наклеить.

Так, армирование композитом увеличивает прочность на сжатие почти вдвое с 280 кН до 520 кН (см. видео испытаний). Это значит, что объём опорного элемента — несущей стены, колонны, столба — можно смело уменьшать на 60–80%. Особое значение это имеет для отдалённых районов, куда затруднена доставка тяжёлого стройматериала.

Вторая основная область применения карбона в строительстве — реставрация несущих каменных элементов. Оклеечным армированием восстанавливают опоры и балки бетонных мостов. Это наиболее ответственные государственные объекты и их надёжность доверяют углеволокну. В частном строительстве нагрузки в десятки раз ниже, а значит, усиление фундамента или углов стен будет с огромным запасом прочности. Это прекрасная альтернатива традиционным способам — подливка фундамента бетоном или установка подобных стен.

Ещё одно полезное свойство композитного материала — его нетоксичность и безвредность после полимеризации. В готовом виде он имеет глянцевую поверхность и не вступает в реакцию с водой. Это будет интересно для того, кто решил возвести бассейн, водоём, кессон, силосную яму, отстойник или каменный септик. Для этого достаточно будет возвести стены в полкирпича с кладочной сеткой и оклеить с обеих сторон углеволокном. Застывший материал будет служить гидроизоляцией. Его монтаж аналогичен устройству армировочной сетки для утеплителя.

 

Стоимость таких работ будет составлять:

1.  Углеволоконный холст — от 20 до 30 у. е. за 1 м2.

2.  Полимерное связующее с отвердителем — от 3 до 5 у. е. по расходу на 1 м2.

3.  Услуги по усилению каменных конструкций под ключ в среднем по России стоят 125 у. е. за 1 м2. В стоимость входит расчёт, доставка, материал и работа.

 

 

Применение углеволокна для ремонта

 

Свойства холста быть сначала гибким и эластичным, а после пропитки смолой исключительно прочным, можно (и нужно!) использовать и в повседневной жизни. В основном это касается ремонта или замены сломанных пластиковых деталей. С помощью этого материала можно склеить практически всё, а то, что склеить по каким-то причинам нельзя, можно воссоздать, используя испорченную деталь в качестве матрицы.

 

 

Ремонт стержня из стеклопластика

 

Рассмотрим возможность ремонта рукоятки молотка или топора при помощи углеволоконного рукава. Большинство полупрофессиональных ударных инструментов имеют рукояти из материала на основе стекловолокна — того же, что используют для производства высококачественных хоккейных клюшек.

Для ремонта потребуется:

1.   Инструмент — тиски, ротационная шлифмашина с наждачной бумагой, направляющая струбцина, строительный фен, кисти.

2.   Материал — рукав из углеволокна или холста, высокопрочный двухкомпонентный клей, полимерная смола и отвердитель. Всего клеящей смеси потребуется около 50 мл.

3.   Защитные средства — очки, респиратор, резиновые перчатки.

 

Порядок работы:

1.   Зачистить края разлома шлифмашиной, сохраняя место контакта.

2.   Зажать в тисках одну часть и выставить на струбцине вторую, примерив по плоскости.

3.   Нанести на контактные поверхности (разлом) клей и соединить две части на струбцине. Обмазать клеем место разлома. Тщательно проверить соосность обеих частей. Время выдержки — 6–8 часов (по инструкции).

4.   Снять струбцину и зачистить место соединения, сделав заглубление в тело стержня на 1–2 мм.

5.   Сделать разметку. Т. к. оклейка рукавом будет производиться в два этапа, верхний слой перекроет нижний. От оси соединения отложить для первого слоя — 3,5 см, для второго — 6 см в каждую сторону. Отрезать два куска рукава по размерам.

6.   Сделать полимерный раствор из смолы и отвердителя в пропорциях согласно инструкции и обильно нанести его на место соединения по меньшей разметке.

7.   Завести отрезок рукава к месту приклеивания и аккуратно уложить его на клей и обжать руками.

8.   Затем нанести ещё один слой клея и завести второй (больший) отрезок рукава. Прижать его аналогичным образом. Пропитать весь участок клеем.

9.   Создать временный зажим — приложить с двух сторон полосы упругого материала, замотать скотчем и сдавить струбцинами (не очень туго). Время выдержки — 6–8 часов.

10.               1Зачистить место соединения шлифмашиной и довести вручную.

11.               Технически изделие готово, его можно использовать с обычной нагрузкой через 12 часов. Отремонтированное изделие можно окрасить.

 

Технологию ремонта предлагает фирма SRS (значит, речь идёт о профессиональном спорте — нетрудно представить, какие нагрузки выдерживает изделие после ремонта).

С помощью углеволокна указанным способом можно также починить вещи, которые ранее было принято заменять:

1.   Ножки мебели.

2.  Ручки пылесоса, зонта или ножа.

3.  Корпуса бытовой и офисной техники, инструмента.

4.  Оправы очков (понадобится карбоновая нить или лента).

5.  Любую неметаллическую деталь автомобиля, мототехники, велосипеда — от бампера до дверной ручки.

6.  Пластиковое окно или подоконник и многое другое.

Безусловно, весь спектр достоинств и возможностей передового многофункционального материала невозможно отобразить в одной статье. Домашнему мастеру достаточно знать о нём одно — для того, кто имеет в арсенале холст и ленту из углеволокна и эпоксидные компоненты, проблемы ломаного пластика не существует.

 

Виталий Долбинов, рмнт.ру

 

 

http://www.rmnt.ru/ — сайт RMNT.ru

 

Углеволокно — передовой материал для усиления строительных конструкций


В сфере строительства постоянно ведутся поиски материалов, которые повышают устойчивость зданий и сооружений к динамическим нагрузкам и агрессивному воздействию внешней среды. Последняя передовая методика — усиление конструкций углеволокном (карбоновым волокном). Это вещество, позаимствованное из самолёто- и ракетостроения, выигрывает у традиционных строительно-ремонтных материалов по многим параметрам. Например, по прочности на разрыв холсты и ламели из углеволокна превосходят сталь лучших марок в 7 раз. При этом плотность углеволокна меньше железа и алюминия на 75% и 30% соответственно, то есть армирование углеволокном минимально нагружает конструкции.


Инновационная технология подходит для бетонных, железобетонных, металлических, каменных, кирпичных и деревянных конструкций. Универсальность обеспечивает специальный эпоксидный клей для углеволокна. С его помощью холсты и ламели надёжно монтируются на практически любую поверхность.

Что такое углеволокно


Материал представляет собой тонкие нити диаметром до 15 мкм. Основа нитей — атомы углерода (карбон), объединённые в микроскопические кристаллы. За счет особого строения атомов кристаллы в решётке имеют параллельное расположение, отсюда высочайшая прочность углеволокна на растяжение.


Производят карбон из природных и химических полимеров. Материалы и методы разные, но суть одна: удалить из волокон все вещества, кроме углерода. Например, при температурной обработке сырье окисляется при 250 °C, затем помещается в инертную среду и последовательно нагревается до 1500 °C для карбонизации, до 3000 °C для графитизации (на этом этапе объем углерода доводится почти до 100 %). Впоследствии волокна идут на изготовление разных продуктов. Например, для строительных нужд выпускаются тканые холсты и ламели (ламинаты).


Чтобы получить качественные волокна, приходится задействовать большие мощности и строго соблюдать технологию производства. Отсюда относительно высокая стоимость материала. Но если рассматривать соотношение цены и качества, то преимущества компенсируют затраты.


Основные характеристики углеволокна:


  • высокая прочность — до 7 раз выше, чем у высокомарочных сталей;

  • малый вес — в 4 раза легче стали и в 3 раза легче алюминия;

  • универсальность — усиление углеволокном подходит для любых конструкций;

  • экологичность — чистый углерод безвреден для человека и окружающей среды.


Дополнительно материал обладает высокой коррозионной стойкостью.

Углеволокно в строительстве


У карбона много полезных свойств для строительной сферы. Помимо высоких эксплуатационных характеристик, материал ценится за простой и быстрый монтаж. Для армирования поверхностей сверхлёгкими холстами и ламелями не нужно использовать грузоподъёмное и сварочное оборудование.


Технология усиления конструкций углеволокном простая. Холсты пропитываются эпоксидным составом и наклеиваются на усиливаемую конструкцию, как обои. Ламели приклеиваются на подготовленную поверхность или вклеиваются в предварительно подготовленные штробы. Прочные карбоновые каркасы особенно актуальны на приопорных участках, в местах изгибов и зонах растяжения конструкций. Удобно, что материалы гибкие и тонкие: можно производить усиление конструкций сложной конфигурации, сохранять объёмно-планировочные решения.


Углеткани удовлетворяют запросы профессионального строительства. Например, ламели Sika® CarboDur® — углеволокно для усиления конструкций любой сложности и масштаба. С их помощью можно увеличивать несущую способность перекрытий, балок и колонн, менять функциональное назначение зданий, ремонтировать разрушения от аварий и стихийных бедствий, устраивать проёмы в стенах, исправлять ошибки проектирования и строительства.


Усиление углеволокном бетонных конструкций используется при реставрации. Для некоторых объектов — памятников архитектуры, гидротехнических сооружений, эксплуатируемых мостов. Лёгкий, быстрый монтаж карбоновых лент и холстов сводит к минимуму простои и обеспечивает надёжную эксплуатацию сооружений в дальнейшем.


Усиление строительных конструкций углеволокном применяется на уже построенных объектах. В будущем на рынок выйдут материалы для возведения зданий с нуля. В качестве эксперимента уже построен прочный 4-метровый павильон из углебетонных элементов толщиной всего 4 см. Из сопоставимых ж/б плит такой объект построить невозможно, так что преимущества материала очевидны, а перспективы огромны.


Выбирая усиление углеволокном (плит перекрытия, балок, колонн), следует учитывать, что технология относительно новая. При устройстве систем усиления внешнего армирования важно использовать только качественные материалы, привлекать к проектированию и монтажу специалистов с опытом в этой сфере. Обращайтесь в Sika: у нас можно заказать подбор фирменных холстов, ламелей и клеев, а также профессиональную техническую поддержку.

назначение, преимущества и технология производства и нового материала

Современные композитные материалы — новинка последних лет на строительном рынке. Сейчас они все чаще внедряются в производство, шире используются для ремонта и застройки. Большинство из них имеет массу преимуществ перед обычными материалами: композиты дольше служат и лучше противостоят действию агрессивных факторов. Примером служит углебетон — плиты, в которых обычная арматура заменена углеродистым волокном.

Что такое углебетон

Изначально идея армирования бетона углеродным волокном пришла в голову ученым из Института монолитного строительства (г. Дрезден). Раньше изготовление композитов на основе углеволокна уже практиковалось: из таких материалов давно делают различные детали самолетов, планеров, автомобилей, катеров и даже велосипедов. Тем не менее, замена металлической арматуры на углеродистое волокно в составе бетона с получением абсолютно нового материала стала новацией на строительном рынке.

Усиление железобетонных конструкций углеволокном

Углебетон — это более «продвинутая» разновидность железобетона. В него встроены углеродные нити, сплетенные в углеткань — тонкое полотно, которое производится на вязально-прошивных установках. Каждая нить углеткани в отдельности тоньше человеческого волоса (ее толщина — 5-10 мкм). Около 50 тысяч таких нитей формируют своеобразный «канат», и он становится основой «текстиля».

к содержанию ↑

Свойства нового материала

Углеродная нить состоит из атомов углерода, выстроившихся в кристаллическую решетку. Особая структура придает волокнам уникальную прочность на разрыв, которая в 4 раза выше, чем у стали. Интересно, что плотность углеволокна при этом во столько же раз ниже, чем плотность стали, поэтому оно является более легким.

После объединения бетона и углеволокна получается композит, по техническим параметрам превосходящий все марки и виды стандартного бетона. Он меньше весит, но намного прочнее. Материал может похвастаться долговечностью. Он не страдает от коррозии, ведь в нем нет металлических элементов. Благодаря отсутствию ржавления бетон не надо покрывать толстым защитным слоем — достаточно минимальной обработки.

к содержанию ↑

Способы изготовления

Изделия из углебетона сейчас производят двумя основными способами:

  1. Способ первый — набор слоев. Текстильное полотно укладывается слоями и заливается бетонной массой. Таким образом, тонкие прослойки бетона чередуют с пластами углеволокна, пока не получится плита нужной толщины.
  2. Способ второй — заливка в опалубку. Вначале в форму укладывается лист углеродного волокна, потом он заливается жидким бетоном.

Послойная укладка ткани из углеволокна

Казалось бы, технология производства нового бетона довольно проста. На деле углеродный текстиль имеет решетчатую структуру и плохо крепится к бетону. Для улучшения схватывания материалов между собой на углеткань наносят особое покрытие, усиливающее адгезию. С рецептурой последнего проводятся многочисленные эксперименты, и она постоянно меняется, совершенствуется. Благодаря поиску новых компонентов стало возможным производить различные изделия из углебетона — плиты, цилиндры, предметы сложной, замысловатой формы.

Внешнее армирование углеволокномк содержанию ↑

Преимущества и недостатки

У нового стройматериала есть огромное число достоинств, которые, несомненно, вскоре выведут его в лидеры рынка:

  • малый вес — углеродная структура на порядок легче металлической;
  • простота транспортировки на место стройки, ускорение введения объектов в эксплуатацию;
  • отсутствие ржавления — конструкции не содержат металла, не боятся влаги и воздуха даже при их попадании через микротрещинки;
  • стойкость к вибрационным, ударным нагрузкам, действию физических и механических факторов;
  • долговечность — срок службы плит не менее 60 лет;
  • уникальная прочность — для разрыва углепластикового стержня нужна нагрузка свыше 2500 кг.

Минус у такого стройматериала только один. Пока его себестоимость довольно велика, поэтому затраты на постройку будут существенными. Этот недостаток нивелируется тем фактом, что ремонт и реставрация таким объектам не требуются в течение многих десятилетий.

к содержанию ↑

Сферы применения

Углебетон идеально подходит для укрепления и восстановления старых зданий, в том числе — исторических. Он дает шанс на вторую жизнь даже тем постройкам, что планировалось сносить, например, сильно изношенным конструкциям. Также с помощью углебетона можно строить новые сооружения — дома, павильоны, общественные здания. Толщина конструкций будет небольшой, поэтому они смотрятся легко, изящно и очень красиво.

В будущем из нового стройматериала в виде плит и фасадных панелей планируется делать не менее четверти всех построек. Ученые уже получают массу запросов из разных стран мира на производство углебетона — материала будущего.

Углебетон: характеристики и технология производства

В мире строительных материалов происходит непрерывный прогресс не меньший, чем, например, в технике. Появляются современные и качественные, универсальные, устойчивые к повреждениям и надежные материалы, постепенно вытесняя с рынка традиционные дерево, кирпич и моноблоки. Один из передовых композитных стройматериалов — углебетон, который по праву называют строительным материалом будущего.

Технология производства

Известен факт, что в производстве отдельных деталей самолетов, автомобилей и катеров используется углеродное волокно толщиной 5-10 мкм, что в несколько раз тоньше человеческого волоса. Характеристики данного материала натолкнули немецких ученых на мысль заменить им металлическую арматуру в бетоне. Изначально остро стоял вопрос о главном риске — высокой стоимости материала, потому что углеродистое волокно удовольствие не из дешевых.

Само волокно получается в результате многократного нагрева полиакрилонитрильных или вискозных волокон в разных средах до стадии обугливания. Итогом этого процесса становится волокно, состоящее из чистого углерода.

Прочность материала превышает тот же показатель стали в 4 раза.

Сама углеткань, которая получается в результате многократных манипуляций с углеволокном, обладает уникальной решетчатой структурой. При создании стройматериала «решетка» покрывается специальным песчаным веществом, которое обеспечивает надежное скрепление с бетонной смесью, либо формируются выступающие ребра.

Так как материал относительно молодой, его производят двумя путями:

  • набором слоев;
  • применением опалубки.

Технология набора слоев представляет собой чередование слоев бетона и углеволокнистого текстиля до тех пор, пока конструкция не достигнет нужной толщины. Второй способ производства подразумевает использование опалубки, в которую помещают нужное количество углеволокна и заливают бетоном.

Обе технологии распространены примерно одинаково. Каждая из них позволяет создать строительный элемент любой формы и любого размера.

Плюсы и минусы

Углебетон — аналог железобетона, обладающий более оптимальными свойствами для применения в строительстве.

Так, достоинства материала:

  • легкость;
  • долговечность;
  • устойчивость к ржавчине и образованию трещин;
  • экономия бетонной смеси;
  • прочность.

Легкость очевидна: железная структура тяжелее углеродной. Это свойство облегчает транспортировку материала и процесс ввода постройки в эксплуатацию.

Второе и третье достоинства вытекают одно из другого. Со временем железо может пострадать от ржавчины. Каким бы качественным ни был материал, если в его составе есть железная арматура, в микротрещины в малом количестве будет попадать воздух и капельки воды. Углебетон не подвержен изменениям под воздействием этих факторов, на нем не образуются трещинки, следовательно, он прослужит дольше. По словам специалистов, если материал изготовлен с соблюдением технологии, постройка из него способна прослужить 55-60 лет.

Для производства текстильного углеродистого материала требуется соединить несколько тысяч, а то и сотен тысяч нитей. Благодаря этому достигается уникальная прочность. Для сравнения: чтобы разорвать углепластиковый стержень толщиной 5 миллиметров, понадобится 2500 кг. С таким же чугунным стержнем расправятся 150 кг.

Само углеродистое волокно обладает небольшой плотностью, а специализированное покрытие, которое требуется для схватывания с бетоном, в разы тоньше защитного слоя в железобетоне.

Чтобы достичь таких показателей, ученые трудились над созданием материала несколько десятилетий.

Пожалуй, единственный недостаток материала — высокая стоимость. Однако, если на одну чашу весов поместить цену углебетона, а на другую его качественные характеристики, то вторая однозначно перевесит. К примеру, сэкономив на материале, придется через некоторое время тратиться на ремонт и реконструкцию, тогда как постройки из бетона с углеволокном долгое время будут сохранять первоначальный вид. В итоге цена стройматериала полностью оправдывает качество.

Как вы считаете, стоит ли использовать углебетон для строительства дома?

Сферы применения

В настоящее время углебетон не применяется повсеместно только из-за дорогой цены. Но все же его используют в укреплении зданий под снос, а также в возведении новых построек. Особенно актуально его применение в «спасении» исторически значимых сооружений.

Ученые из Дрездена рассказали об удивительном строительном эксперименте. Благодаря их усилиям, было возведено необычное здание из углебетона. Высота постройки составила чуть больше 4 метров, а в качестве основы использовали блоки нестандартной, изогнутой формы толщиной 4 см. Эту конструкцию отличали короткие сроки строительства, легкость и простота.

Сейчас наибольшую распространенность материал обрел в Америке и Израиле. По словам изобретателей, недалеко то время, когда углебетон станет популярным во всех странах мира.

Ученые постоянно экспериментируют и открывают новые возможности стройматериала, чтобы изделия, которые из него получают, были неповторимыми. На смену классическим прямоугольным блокам и плитам приходят изогнутые, закругленные и уникальной формы строительные единицы. Этот процесс крайне трудоемкий и требует соблюдения производственных условий. Например, «лепка» изделий осуществляется только в специальной климатической камере, в которой постоянно поддерживается температура воздуха в 20 градусов и 60% влажность.

Профессора уверяют, что из многих уголков мира поступают запросы об укреплении тех или иных исторически важных сооружений. Пока углебетон преимущественно применяется именно в этой сфере. Но по прогнозам уже через 10 лет четверть железобетона в строительстве вытеснит новый строительный материал, основанный на углеродоволокнистом текстиле.

Тенденции к изобретению перспективных композитных материалов — главный показатель прогресса в строительной сфере. Чем больше проходит времени, тем больше ученым в сфере строительства получается удивить. Несмотря на простоту и очевидность конструкции, производство изделий из бетона с углеволокном очень энергозатратный и трудоемкий процесс. Он требует предельной концентрации создателя и точного соблюдения технологии и условий производства. Придет время, когда люди смогут убедиться в очевидном превосходстве углебетона и сделают выбор в его пользу, невзирая на высокую, но оправданную стоимость.

Популярное

Углеродное волокно как материал, недавно использованный в строительстве

Автор
Проф. Б. Э. Гите, мисс Сувида Р. Маргадж
Инженерный колледж Амрутвахини, Сангамнер

Abstract
С течением времени мы развивались, а также наши инженерные и исследовательские навыки. Даже сегодня мы постоянно вводим новшества, исследуем и развиваем технологии в поисках устойчивого будущего. На протяжении всей этой эволюции исследователи и инженеры находились в постоянном поиске новых и лучших материалов для оптимального снижения затрат на производительность в строительном секторе.Было обнаружено много нового сырья и разработано много новаторских композитов, не все из которых, но некоторые из них оказались феноменальным успехом. Углеродное волокно — один из этих материалов, который обычно используется в сочетании с другими материалами для образования композитов. Такие свойства углеродного волокна, как высокая жесткость, высокая прочность на растяжение, малый вес, высокая химическая стойкость, устойчивость к высоким температурам и низкое тепловое расширение, делают его одним из самых популярных материалов в гражданском строительстве, обладающим прочностью, в пять раз превышающей прочность стали и будучи втрое легче, мы могли бы назвать его «супергероем» материального мира.

1. ВВЕДЕНИЕ
1.1 ИСТОРИЯ

В 20-м веке спрос на углеродное волокно прокатился по американским горкам. Угрозы миру увеличили спрос на углеродное волокно для оборонных целей в середине века. Спад оборонных потребностей приведет к сокращению производства углеродного волокна к концу века. К началу 21 века новые области применения и новые рынки привели к подъему производства углеродных волокон. Несмотря на спад в 2007-2008 годах, мировой спрос вырос примерно до 40 000 метрических тонн в 2010 году.Углеродные волокна произвели революцию в технологии материалов. Неудивительно, что Национальная инженерная академия назвала углеродные волокна одним из 20 лучших инженерных достижений 20-го века, а Американское химическое общество в сентябре 2003 года назвало разработку высокоэффективных углеродных волокон Национальной исторической химической достопримечательностью.

1.2 ЧТО ТАКОЕ УГЛЕРОДНОЕ ВОЛОКНО
Углеродное волокно — это тип высокоэффективного волокна, доступного для применения в гражданском строительстве.Его также называют графитовым волокном или углеродным графитом, углеродное волокно состоит из очень тонких нитей элемента углерода. Углеродные волокна обладают высокой прочностью на разрыв и очень прочны для своего размера. Фактически, углеродное волокно может быть самым прочным материалом. Углеродные волокна имеют более высокий модуль упругости и усталостную прочность, чем стекловолокно. Что касается срока службы, исследования показывают, что полимеры, армированные углеродным волокном, обладают большим потенциалом, чем агамид и стекловолокно. Они также обладают высокой химической стойкостью и устойчивостью к высоким температурам с низким тепловым расширением.и коррозионная стойкость.

Каждое волокно имеет диаметр 5-10 микрон. Чтобы дать представление о том, насколько это мало, один микрон (мкм) равен 0,000039 дюйма. Одна нить шелка паутины обычно имеет толщину 3-8 микрон. Углеродные волокна в два раза жестче стали и в пять раз прочнее стали (на единицу веса). . Наиболее важными факторами, определяющими физические свойства углеродного волокна, являются степень карбонизации (содержание углерода, обычно более 92% по весу) и ориентация слоистых углеродных плоскостей (лент).

Композитные материалы, армированные углеродным волокном, используются для изготовления деталей самолетов и космических кораблей, кузовов гоночных автомобилей, валов клюшек для гольфа, велосипедных рам, удочек, автомобильных рессор, мачт для парусных лодок и многих других компонентов, где требуется легкий вес и высокая прочность. Высокая прочность, малый вес и устойчивость к коррозии углеродного волокна делают его идеальным армирующим материалом.

Объявления

2. СВОЙСТВА УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА
1) Углеродное волокно имеет высокое отношение прочности к массе (также известное как удельная прочность)
Прочность материала — это сила, приходящаяся на единицу площади при разрушении, деленная на ее плотность.Любой прочный и легкий материал имеет подходящее соотношение прочности и веса. Такие материалы, как алюминий, титан, магний, углерод и стекловолокно, высокопрочные стальные сплавы, имеют хорошее соотношение прочности к весу. Неудивительно, что древесина бальзы отличается высоким отношением прочности к весу. Следующие цифры предлагаются только для сравнения и будут варьироваться в зависимости от состава, сплава, типа крестовины, плотности древесины и т. Д. Единицы измерения — кН.м / кг.

Таблица 2.1 — Углеродное волокно имеет высокое отношение прочности к массе (также известное как удельная прочность)

Spectra fiber 3619
Кевлар 2514
Углеродное волокно 2457
Стекловолокно 1307
Шелк паука 1069
Углеродно-эпоксидный композит 785
Осевая нагрузка бальзы 521
Стальной сплав 254
Алюминиевый сплав 222
Полипропилен 89
Дуб 87
Нейлон 69

Обратите внимание, что прочность и жесткость — это разные свойства, прочность — это сопротивление разрушению, а жесткость — это сопротивление изгибу или растяжению.

2) Углеродное волокно очень жесткое
Жесткость или жесткость материала измеряется его модулем Юнга и измеряет степень деформации материала под действием напряжения. Пластик, армированный углеродным волокном, более чем в 4 раза жестче, чем пластик, армированный стекловолокном, почти в 20 раз больше, чем сосна, в 2,5 раза больше, чем алюминий. Дополнительную информацию о жесткости и способах ее измерения, а также сравнительную таблицу различных материалов см. На моей странице модуля Юнга.

3) Углеродное волокно устойчиво к коррозии и химически стабильно.
Хотя углеродное волокно само по себе не портится, эпоксидная смола чувствительна к солнечному свету и требует защиты. Другие матрицы (независимо от того, в какое углеродное волокно встроено) также могут быть реактивными.

4) Углеродное волокно обладает электропроводностью
Эта функция может быть полезной и мешать. При строительстве лодок это необходимо учитывать, так же как и проводимость алюминия. Электропроводность углеродного волокна может способствовать гальванической коррозии фитингов. Тщательная установка может уменьшить эту проблему.Углеродная пыль может накапливаться в магазине и вызывать искры или короткое замыкание в электрических приборах и оборудовании.

5) Усталостное сопротивление хорошее
Усталостное сопротивление композитов из углеродного волокна хорошее. Однако, когда углеродное волокно выходит из строя, оно обычно катастрофически выходит из строя, что не говорит о его неизбежном разрыве. Повреждение в результате усталости при растяжении рассматривается как снижение жесткости с увеличением количества циклов напряжения (если температура не является высокой)

Испытания показали, что отказ вряд ли будет проблемой, если циклические напряжения совпадают с ориентацией волокна.Углеродное волокно превосходит стекло E по усталостной и статической прочности, а также по жесткости.

Ориентация волокон и разная ориентация слоев волокон имеют большое влияние на то, как композит будет сопротивляться усталости (как и на жесткость). Тип приложенных сил также приводит к разным типам отказов. Силы натяжения, сжатия или отвлечения приводят к заметно разным результатам разрушения. Статья об испытании композитов из углеродного волокна, предназначенных для использования в автомобилях. Американский институт аэронавтики и астронавтики, испытание материалов, которые будут использоваться в лопастях ветряных турбин.

6) Углеродное волокно обладает хорошей прочностью на разрыв
Предел прочности на разрыв или предел прочности — это максимальное напряжение, которое материал может выдержать при растяжении или растяжении до образования шейки или разрушения. Сужение — это когда поперечное сечение образца начинает значительно сокращаться. Если вы возьмете полоску полиэтиленового пакета, она растянется и в какой-то момент начнет сужаться. Это шею. Он измеряется в силе на единицу площади. Хрупкие материалы, такие как углеродное волокно, не всегда выходят из строя при одном и том же уровне напряжения из-за внутренних дефектов.Они терпят неудачу при малых деформациях. (другими словами, перед катастрофическим отказом не происходит большого изгиба или растяжения)

Модуль Вейбулла хрупких материалов
Испытания включают взятие образца с фиксированной площадью поперечного сечения, а затем его вытягивание, постепенно увеличивая силу, пока образец не изменит форму или не сломается. Волокна, такие как углеродные волокна, диаметром всего 2/10 000-х дюйма, превращаются в композиты соответствующей формы для испытаний. Единицы измерения — МПа, эта таблица предлагается только для сравнения, поскольку существует большое количество переменных. .

Таблица 2.2 — Углеродное волокно имеет хорошую прочность на разрыв

Углеродистая сталь 1090 3600
Полиэтилен высокой плотности (HDPE) 37
Полипропилен 19,7-80
Полиэтилен высокой плотности 37
Нержавеющая сталь AISI 302 860
Алюминиевый сплав 2014-T6 483
Алюминиевый сплав 6063-T6 248
Только E-Glass 3450
E-Glass в ламинате 1500
Только углеродное волокно 4127
Углеродное волокно в ламинате 1600
Кевлар 2757
Сосна (параллельно волокнам) 40

7) Огнестойкость / невоспламеняемость
В зависимости от производственного процесса и материала-прекурсора углеродное волокно может быть довольно мягким, и его можно использовать в защитной одежде для пожарных или чаще интегрировать в нее.Примером может служить волокно с никелевым покрытием. Поскольку углеродное волокно также химически очень инертно, его можно использовать там, где есть огонь в сочетании с коррозионными агентами. Одеяло из углеродного волокна, используемое в качестве защиты при сварке.

8) Теплопроводность углеродного волокна
Теплопроводность — это количество тепла, передаваемого через единицу толщины в направлении, нормальном к поверхности единицы площади, из-за единичного температурного градиента в установившихся условиях. Другими словами, это показатель того, насколько легко тепло проходит через материал.Существует ряд систем мер в зависимости от метрических или британских единиц.

1 Вт / (м.К) = 1 Вт / (м.oC) = 0,85984 ккал / (ч.м.оС) = 0,5779 БТЕ / (фут.ч.oF)

Эта таблица предназначена только для сравнения. Единицы: Вт / (м · К)

Таблица 2.3 — Теплопроводность углеродного волокна

Воздух 0,024
Алюминий 250
Бетон 0,40 -0,7
Углеродистая сталь 54
Минеральная вата .04
Фанера .13
Кварц 3
Стекло Pyrex 1
Сосна 12
Эпоксидная смола, армированная углеродным волокном 24

Поскольку существует множество вариаций на тему углеродного волокна, невозможно точно определить теплопроводность. Специальные типы углеродного волокна были специально разработаны для обеспечения высокой или низкой теплопроводности.Есть также попытки улучшить эту функцию.

9) Низкий коэффициент теплового расширения
Это мера того, насколько материал расширяется и сжимается при повышении или понижении температуры. Единицы измерения указаны в дюймах / дюймах градусах F, как и в других таблицах, единицы не так важны, как сравнение.

Таблица 2.4 — Низкий коэффициент теплового расширения

Сталь 7
Алюминий 13
Кевлар 3 или ниже
Углеродное волокно 2 или меньше
Углеродное волокно однонаправленное минус 1 до +8
Стекловолокно 7-8

Углеродное волокно может иметь широкий диапазон CTE, от -1 до 8+, в зависимости от измеренного направления, переплетения ткани, материала-предшественника, на основе Pan (высокая прочность, более высокий CTE) или на основе пека (высокий модуль / жесткость, более низкий КТР).При достаточно высокой мачте разница в коэффициентах теплового расширения различных материалов может немного изменить натяжение буровой установки.

Низкий коэффициент теплового расширения делает углеродное волокно подходящим для применений, где малые движения могут быть критичными. Одно из таких приложений — телескоп и другое оптическое оборудование.

3. ПРИМЕНЕНИЕ
3.1 Гражданское строительство.

В некоторых конструкционных конструкциях используется полимер, армированный углеродным волокном, из-за его потенциальных преимуществ при строительстве и экономической эффективности.Обычные применения включают усиление конструкций из бетона, стали, дерева, кирпичной кладки и чугуна; Реконструкция с целью увеличения несущей способности старых конструкций, например мостов; для повышения прочности на сдвиг и на изгиб железобетонных конструкций. Другие области применения включают замену стали, предварительное напряжение материалов и усиление чугунных балок.

3.2 Углеродное волокно в полете.
Углеродное волокно отправилось на Луну на космических кораблях, но оно также широко используется в компонентах и ​​конструкциях самолетов, где его превосходное соотношение прочности и веса намного превосходит любой металл.30% всего углеродного волокна используется в аэрокосмической промышленности. Углеродное волокно играет свою роль, увеличивая дальность полета и упрощая техобслуживание, от вертолетов до планеров, от истребителей до микросхем.

3.3 Спортивные товары
Его применение в спортивных товарах варьируется от повышения жесткости кроссовок до хоккейной клюшки, теннисных ракеток и клюшек для гольфа. «Корпуса» (корпуса для гребли) сделаны из него, и многие жизни были спасены на трассах автоспорта благодаря его прочности и устойчивости к повреждениям в структурах тела.Он также используется в защитных шлемах для скалолазов, наездников и мотоциклистов — фактически в любом виде спорта, где существует опасность травмы головы.

Объявления

3.4 Военное дело
Применения в вооруженных силах очень разнообразны — от самолетов и ракет до защитных шлемов, обеспечивающих усиление и снижение веса всей военной техники. Для перемещения веса требуется энергия — будь то личное снаряжение солдата или полевой госпиталь, а сэкономленный вес означает, что на каждый галлон газа перемещается больший вес.

Практически каждый день объявляется о новом военном применении. Возможно, последнее и самое экзотическое военное применение — это маленькие машущие крылья миниатюрных летающих дронов, используемых для миссий наблюдения. Конечно, мы не знаем обо всех военных применениях — некоторые виды использования углеродного волокна всегда останутся частью «черной операции» — во многих отношениях.

3.5 Углеродное волокно в доме
Углеродное волокно в домашних условиях можно использовать так же широко, как и ваше воображение, будь то стиль или практическое применение.Для тех, кто заботится о стиле, его часто называют «новым черным». Если вам нужна блестящая черная ванна из углеродного волокна или журнальный столик, то вы можете купить его прямо с полки. Чехлы для iPhone, ручки и даже галстуки-бабочки — внешний вид из углеродного волокна уникален и сексуален.

3.6 Медицинские приложения
Ca

Краткое руководство [Композиты, сверление, инструменты с ЧПУ]

Boeing 787 Dreamliner имеет огромное количество композитных конструкций для снижения веса…

Что такое композиты и углеродное волокно (CFRP)?

Проще говоря, композиты

— это несколько материалов с разными физическими и химическими характеристиками, которые работают вместе, чтобы создать более прочный, легкий или иногда более гибкий продукт.Композиционные материалы комбинируются, но никогда полностью не сливаются в один материал; поэтому, хотя они действительно работают в тандеме, они отделены и отличаются друг от друга на определенных уровнях.

Один из самых известных композитов на рынке — армированный пластик. Сегодня в большинстве продуктов пластик используется в чистом виде, например, в игрушках и бутылках с водой, но его можно армировать волокнами из других материалов, чтобы сделать одни из самых прочных, легких и универсальных композитов на сегодняшний день.

Углеродное волокно и другие композиты популярны во множестве неавиационно-космических применений, начиная от автомобилей (особенно гонщиков, таких как Формула-1) до гольф-клубов…

Композиты

популярны по разным причинам во множестве предприятий.Примечательно, что производственный бизнес в области авиации и космонавтики использует композиты из-за их легкости не только для запуска ракет в космос, но и для создания многих современных самолетов.

На эти предприятия приходится около 50% продаж композитных материалов, тогда как на спортивные товары, такие как клюшки для гольфа и теннисные ракетки, приходится еще 25%. На автомобилестроение приходится оставшиеся 25% продаж композитных материалов, и очевидная тяга к более прочным и легким материалам делает композиты идеальным строительным блоком не только для уличных автомобилей, но и для автомобилей Формулы-1 и профессиональных гоночных автомобилей.

Композиты

стали серьезным подспорьем с момента появления в 1990-х годах композитов с полимерной матрицей не только для базового моделирования обшивки кузова, приводных валов и листовых рессор в автомобилях, но и для медицинских имплантатов, возвратно-поступательного промышленного оборудования и более безопасного хранения и транспортировки. агрессивных химических материалов. Композитное армирование серьезно изменило способ создания термостойких, проводящих, легких, гибких и прочных изделий, которые служат дольше, чем их предыдущие модели, сделанные из чистых материалов.

Композиты часто имеют несколько имен. Возможно, вы слышали углепластик или полимер, армированный углеродным волокном, «черный алюминий» или даже матричные композиты. Все эти названия относятся к одному и тому же типу продукта, хотя могут быть изготовлены из разных материалов. Обычно более конкретное название композитного материала многое говорит о том, из чего сделан композит и какая матрица, если таковая имеется, удерживает эти материалы.

Типы волокон

Ткань из углеродного волокна…

Обычно композиты используют для усиления более чистого материала волокном из другого чистого материала или композитного материала.Чаще всего в композит добавляют углеродные или графитовые волокна. Углеродные волокна являются проводящими, имеют отличное сочетание высокого модуля упругости и высокой прочности на разрыв, имеют очень низкий (слегка отрицательный) КТР или коэффициент теплового расширения и обладают хорошей устойчивостью к высоким температурам. Эти характеристики делают углеродное волокно отличным волокном для различных предприятий и легко сочетаются с различными материалами.

Помимо углерода, стекловолокно является довольно распространенным армирующим материалом материалом.Стекловолокно не такое прочное или жесткое, как углеродное волокно, но имеет характеристики, которые делают его желательным во многих областях применения. Стекловолокно не проводит электричество (т. Е. Изолятор) и обычно невидимо для большинства типов передач. Это делает его хорошим выбором при работе с электрическими или радиовещательными приложениями. Хотя существует множество различных типов стекловолокна (например, щелочное, химическое, структурное, электрическое и диэлектрическое), все они используются в различных сферах деятельности и могут быть легко вплавлены в большинство композитных материалов.

По сравнению с ними, стекло более абразивно, чем углерод, что приводит к более быстрому износу инструментов. Углерод более хрупкий, чем стекло, и из него образуется более мелкая пыль, которая может создавать большие проблемы с чистотой.

Хотя углеродные волокна и стекловолокно являются наиболее распространенными армирующими элементами в термопластических композитах, существуют и другие варианты. Арамидные волокна (такие как Kevlar® и Twaron®) и борные волокна используются в композитах и ​​обладают некоторыми полезными свойствами (превосходной ударной вязкостью и прочностью на сжатие соответственно).

Однако они обладают характеристиками, ограничивающими их использование (восприимчивость к легкой / сложной механической обработке и хрупкость, соответственно). Третьи включают керамические волокна, такие как SiC или оксид алюминия. Они могут быть привлекательны своими компрессионными, изоляционными или высокотемпературными свойствами.

Типы смол

Смолы — важная часть композитов. Смолы — это матрицы, которые удерживают отдельные материалы вместе без их полного сплавления в один чистый материал.При обработке углеродного волокна и других композитов вы можете встретить следующие смолы:

  • Эпоксидная смола, являющаяся стандартом высокого качества в обработке композитов
  • Огнестойкий фенол
  • Цианат ИМТ, который имеет естественную высокую температуру
  • Полиэстер или винилэфир, который является недорогим заменителем большинства смол
  • Термопласт, обладающий высокой ударопрочностью.

Все эти смолы обладают разными характеристиками, которые делают их популярными в разных сферах деятельности, но все они составляют композит.

Ориентация и структура волокна

Волокна могут быть введены в композит несколькими способами:

  • Однонаправленное сопротивление, при котором максимальная прочность и жесткость достигаются в направлении волокна, что приводит к максимальной прочности в направлении ориентации волокна, плохим характеристикам обращения и критической обработке из-за высокого риска расслоения.
  • Плоское армирование, представляющее собой двумерное тканое полотно, обеспечивающее однородную прочность во всех направлениях, улучшенные характеристики обращения и снижение риска расслоения.Часто разные слои состоят из ткани, уложенной с волокнами в разном направлении, чтобы максимизировать это преимущество.

Помимо того, что вы ориентируетесь по-разному, вам необходимо выбрать тип волокна, которое вы собираетесь ориентировать; непрерывные или рубленые волокна.

Непрерывные волокна можно комбинировать практически со всеми смолами. Они используются для плетения, ткачества, намотки волокон, одноразовых препреговых лент и жгута препрегов для укладки волокон.

Рубленые волокна используются в компаундах для прессования и литья под давлением для производства деталей машин.Готовые изделия обладают отличным сопротивлением коррозии, ползучести и усталости, а также высокими характеристиками прочности и жесткости.

Наконец, есть композиты, которые состоят из встраиваемых частиц, а не из нитей любой длины.

Ориентация волокна также важна при обработке углеродного волокна и композитов. По возможности, материал повреждается меньше всего, если вы можете обрабатывать его параллельно волокнам. Конечно, зачастую невозможно сделать это в одиночку, но следует помнить, что параллельная обработка дает наименьшее количество потертостей, сколов и расслоений.

Использование композитов в коммерческих авиалайнерах

Boeing 787 Dreamliner на 50% состоит из композитных материалов. Изображение предоставлено компанией Boeing.

Композиты

популярны при механической обработке благодаря своим различным химическим и физическим свойствам, но они также имеют экономические преимущества.

В декабре 2009 года Boeing впервые совершил полет на 787 Dreamliner. Одной из основных конструктивных особенностей Dreamliner был его легкий вес, возникший в результате использования композитных материалов.Конструкция Dreamliner на 50% состоит из композитных материалов.

С июня 2013 года Airbus проводит летные испытания A350XWB. Последний Airbus теперь может похвастаться 53% -ным использованием композитного материала в длинном списке новых функций. Использование композитов не только сэкономило деньги их компаний на топливе и облицовке, но и сократило выбросы ископаемого топлива за счет сокращения времени полета

в ответ на цель ACARE по сокращению выбросов CO2 на 50%, снижению воспринимаемого шума на 50% и снижению выбросов NOx на 80%.Композитные материалы использовались в самолетах с 1950-х годов, но, обладая присущими им характеристиками, композиты с годами все чаще добавлялись, поэтому мы наблюдаем скачок с 12% до 70% в A350 XWB.

Проблемы и различия при обработке углеродного волокна и композитного материала

Углеродное волокно расслабляется при разрезании

Одна из ключевых проблем при обработке композитов заключается в том, что обработанные отверстия и карманы будут иметь тенденцию к занижению, поскольку материал расслабляется при резке.Эффект трудно или невозможно предсказать, потому что волокна в материале лежат в разных непредсказуемых направлениях. Решение этой проблемы требует тщательного осмотра и настройки, что наиболее эффективно при автоматизации с зондированием.

Обеспечение требуемых допусков намного проще при обработке углеродного волокна, если контроль может быть выполнен на одном станке за одну установку. Если работа требует перемещения между несколькими станками и приспособлениями, соблюдение допусков будет намного сложнее.

Углеродное волокно и композитные детали стоят дорого, а стоимость утилизации огромна

«К тому времени, когда композитная конструкция готова к обработке, она уже стала такой ценной деталью, что затраты на ее утилизацию могут быть огромными».

Другими словами, при обработке композитных материалов почти не остается места для ошибок. OTOH, составные части представляют собой детали почти чистой формы. Они изготавливаются по индивидуальному заказу по форме и допускам, которые довольно близки к тому, что потребуется для готовой детали.

Формование по индивидуальному заказу вместе с затратами на материалы приводит к высоким затратам еще до того, как приступить к обработке композитов.

Углеродное волокно и композиты являются абразивными и ускоряют износ инструмента

Композиты по-разному реагируют на обычные обрабатывающие инструменты, чем на металлы, потому что работа с композитом заключается не в скалывании обрабатываемого материала, а в перемещении через разные слои композитного материала, которые все из разных материалов.

Например, смолы, часто используемые в матричных слоях, имеют тенденцию к разрыву по краям, в то время как армирующие углеродные волокна могут быть разрезаны или просто сломаны. Более того, подобно тому, как обработка жаропрочных сплавов требует другого инструмента, скорости резания и скорости подачи, чем у более распространенных металлов, каждый тип композитного материала требует особого внимания перед обработкой.

Чтобы в первую очередь использовать композиты для обработки, вам понадобятся специальные инструменты, потому что большинство композитов являются чрезвычайно абразивными и быстро изнашивают инструменты.Для этого необходима очень острая кромка, чтобы предотвратить расслоение, что также способствует быстрому износу инструмента. Наконец, инструменты и материалы имеют тенденцию нагреваться, потому что тепло не уносится стружкой, как большинство чистых металлов или материалов. Тепло — еще один враг Tool Life.

Углеродное волокно и композиты создают много пыли и грязи

Типичная обработка создает разумное количество беспорядка из стружки, но обработка композитов в целом создает огромное количество пыли и беспорядка всего за один сеанс обработки типичного композита.

Обработка углеродного волокна создает углеродную пыль, которая вредна для легких, а также может повредить электронику, поскольку углерод проводит проводимость, а пыль замыкает электронику, на которой оседает.

При обработке композитов удаление пыли настоятельно необходимо для безопасности оператора и для обслуживания станка; Углеродная пыль является электропроводной, поэтому она может повлиять на электрические детали и изнашивать шпиндель с очень высокой скоростью.

Композиты имеют «зернистость», как дерево

Изделия с волоконной намоткой аналогичны дереву, потому что оба имеют структуру.Зерно обычно формируется из углеродного слоя композита, который более хрупок, чем стекло, и создает гораздо более опасный беспорядок, который нужно очистить машинисту, который не знаком с композитами.

Это зерно образовано слоями волокон внутри композита. Направление волокон важно знать при механической обработке композиционного материала, содержащего материал с определенной зернистостью. Как уже упоминалось, обычно желательно обрабатывать «зерном», другими словами, параллельно волокнам.

Две базовые технологии обработки композитов

CNC-обработка композитов с помощью Datron…

При обработке композитов можно выбрать одну из двух основных технологий: роторная обработка и абразивная гидроабразивная обработка.

При вращательной обработке используется режущий инструмент, прикрепленный к высокоскоростному шпинделю, управляемому обрабатывающим центром с ЧПУ. Инструмент имеет обычно круглое, но рифленое поперечное сечение. Канавки имеют острые края и обычно расположены в форме медленной спирали, что делает промежутки между канавками полезными для прядильного инструмента, чтобы отводить сломанный материал от рабочей зоны.

Струя воды, используемая для вырезания логотипа в лаборатории передовых композитных конструкций Automobili Lamborghini

При гидроабразивной обработке гранулированный силикат или аналогичный материал смешивается с водой и затем выбрасывается под чрезвычайно высоким давлением (обычно от 60 000 до 100 000 фунтов на квадратный дюйм) со скоростью около 3 Маха (2200 миль в час). Это происходит без выделения тепла или пыли, а также без расслоения композита даже на микроскопическом уровне.

Системы

Waterjet могут быть оснащены 5-осевыми головками, которые повышают гибкость производства и имеют встроенный датчик для проведения измерений.

Оба этих инструмента являются жизнеспособными вариантами для обработки композитов, но выбор полностью зависит от цеха и его менеджера, основываясь исключительно на технологических требованиях для каждого, а также на методах и знаниях, необходимых для каждого.

Пыль, беспорядок, тепло, коррозия инструмента и многие другие факторы обычно определяют, какой инструмент лучше всего подходит для вашего цеха, но при обработке композитных материалов необходимо учитывать оба эти фактора.

Углеродные инструменты для обработки:

Алмазный инструмент

Инструмент

PCD предпочтительнее твердого сплава, чтобы противостоять истиранию при обработке композитов.Изображение любезно предоставлено Fullerton Tool.

Одним из первых факторов, который возникает при рассмотрении инструмента для обработки композитов, является абразивная природа материала. В частности, при использовании композитов из углеродного волокна не происходит образования стружки. Вместо этого режущая кромка разбивает материал и углеродные волокна.

Именно этот процесс делает обработку углеродного волокна настолько абразивным для инструмента. С такими материалами можно использовать карбид, но он будет очень быстро изнашиваться.

Предпочтительным инструментальным материалом для композитов и особенно углеродного волокна является поликристаллический алмаз (PCD).Учитывая твердость алмаза, эти инструменты могут противостоять абразивному характеру процесса обработки композитных материалов намного лучше, чем инструменты из простого твердого сплава. Хороший инструмент PCD может работать в 3 раза быстрее в композитах и ​​служить в 25 раз дольше, чем твердосплавные.

PCD — это синтетический алмаз, который на самом деле прочнее природного алмаза, хотя его твердость такая же. Причина, по которой они более жесткие, заключается в том, что алмазный слой состоит из алмазных частиц, которые ориентированы случайным образом и не имеют плоскостей спайности или направлений мягкого износа.Этот слой наносится на твердосплавный сердечник для изготовления фрезы PCD. Режущие кромки PCD очень похожи на твердосплавные кромки, припаянные к некоторым токарным станкам.

Доступны также частицы различных размеров, обычно мелкое зерно для чистовых операций, среднее зерно и крупное зерно для черновой обработки с чрезвычайно абразивной обработкой. Также доступны вставки PCD. Еще одно полезное свойство PCD заключается в том, что алмаз имеет самую высокую теплопроводность из всех режущих материалов — это означает, что он может быстро отводить тепло от кромки.Напомним, что от композитных материалов сложно отвести тепло, и вскоре становится очевидным, почему тепловые характеристики PCD также важны в этом приложении.

Раз уж мы обсуждаем эту тему, оснастка из PCD может использоваться не только для композитов, но и для материалов, но она имеет сильное сродство к железу, поэтому ее нельзя использовать в черных металлах. Хуже того, он имеет довольно низкий температурный порог, что также является аргументом против его использования в черных металлах. Как правило, PCBN (поликристаллический нитрид бора) предпочтительнее PCD в производстве черных металлов.

Стоимость инструмента

PCD на первый взгляд может показаться чрезвычайно высокой. При механической обработке углеродного волокна и композитов важно проводить сравнение на основе стоимости обработанного погонного фута, чтобы получить сопоставление стоимости яблок с яблоками с твердосплавной оснасткой.

Геометрия инструмента

Это изображение, любезно предоставленное Guhdo, делает припаянные на PCD режущие кромки более заметными на концевой фрезе…

Как и в случае с любым другим материалом, существуют геометрические особенности инструмента, предназначенного для композитов.Например, угол подъема в 90 градусов предпочтительнее для индексируемого инструмента, поскольку шаг в 90 градусов создает в основном радиальные силы. Осевые силы плохи для композитов, потому что они вызывают разрыв и истирание волокон.

Из-за того, что композиты трескаются, а не режут стружку, они с трудом переносят тепло в стружку. Очень высокий положительный угол наклона также предпочтителен для геометрии инструментов, предназначенных для композитных материалов, поскольку он способствует резкому и быстрому разрушению материала.Еще одно важное соображение относительно геометрии — оставить достаточный задний угол, чтобы инструмент не натирался и не нагревался.

Фрезы для композитных материалов специального назначения

Концевые фрезы с нисходящей кромкой изменяют направление сил резания, чтобы не скалывать и не рвать композитный материал вверх…

Учитывая природу многих композитов — они представляют собой своего рода прочное волокно, внедренное в смолу, одна из основных задач при механической обработке композитов — поддерживать качество поверхности, чтобы края, стенки, отверстия и поверхности рядом с режущей кромкой не скалывались. и нет видимых потертых волокон.Такие соображения мало чем отличаются от того, что наблюдается при обработке дерева и подобных материалов на фрезерных станках с ЧПУ.

Из-за этого мы видим много таких же специальных фрез, что и в приложениях для фрезерования ЧПУ:

  • Концевые фрезы с нижней кромкой: Концевые фрезы с нижней кромкой изменяют направление сил резания, чтобы не скалывать и не рвать композитный материал вверх.
  • Компрессионные резаки

  • : Компрессионные резаки могут протягивать материал к центру разрезаемой стенки, избегая сколов как на верхней, так и на нижней поверхности.
  • Концевые фрезы с алмазными зубьями или рашпилями: эти специализированные фрезы могут еще более бережно обращаться с материалом, где качество отделки особенно важно или труднодостижимо.

Мы подробно рассмотрели это в нашей специальной статье «Фрезы для фрезерных станков с ЧПУ», поэтому я направлю вас туда, а не вдаваться в подробности здесь для получения дополнительной информации об этих фрезах.

Особого внимания требуют также сверла из углеродного волокна

. Например, другой инструмент со специальной геометрией — это ступенчатые сверла, также называемые «конические сверла-развертки».Такие сверла имеют конические диаметры, которые просверливают пилотное отверстие, а затем постепенно расширяют его до необходимого диаметра, чтобы свести к минимуму истирание, растрескивание и расслоение композитного материала.

Еще одна геометрия и специализированные инструменты являются результатом необходимости работы с композитными пакетами, в которых слои композитного материала и металлов, таких как алюминий или титан, объединены в стопку. У этих двух типов материалов совершенно разные требования, поэтому специализированные инструменты действительно могут помочь.

Подачи и скорости для композитных материалов

Независимо от того, используете ли вы инструмент PCD или нет, вам нужны устройства подачи и скорости, предназначенные для ваших композитных материалов. Наш калькулятор G-Wizard может их предоставить.

Для доступа к ним выберите семейство композитных материалов:

Вы также можете выбрать PCD как инструментальный материал (при условии, что у вас есть инструмент PCD).

Срок службы инструмента сокращается при обработке этих материалов, это факт жизни. Но правильная подача и скорость помогут вашему инструменту прослужить как можно дольше.

Инструмент для обработки композитных материалов

Основными требованиями для крепления обрабатываемой детали при обработке композитов являются возможность удерживать относительно тонкие компоненты с большой площадью поверхности и часто изогнутые. Самое грубое приближение формы происходит в процессе формования, а обработка используется для уточнения формы и добавления отверстий.

Это не ваша типичная ситуация с удержанием рабочего места. Наиболее распространенным решением является фиксация заготовок на основе вакуума, но разработка системы для надежного удержания сложных изогнутых деталей может быть самой сложной и дорогостоящей частью работы по обработке композитных материалов.

Требования к станкам для обработки углеродного волокна

Что еще требуется для успешной обработки композитных материалов при наличии подходящего инструмента и оснастки? В частности, каковы требования к машине? Оказалось, что требования к машинам не сильно различаются, но есть несколько вещей, которые следует учитывать:

Контроль охлаждающей жидкости и пыли

Как уже упоминалось, пыль — это проблема композитов, также как и тепло — композиты не очень хорошо отводят тепло с чипами.Слишком большое количество тепла испортит композит в спешке, повредив смолу.

Охлаждающая жидкость может помочь или помешать. Выбор мокрой или сухой обработки зависит от операции обработки. Если в результате этой операции будет выделяться много тепла, необходимо использовать охлаждающую жидкость. Охлаждающая жидкость также может помочь снизить температуру режущей кромки, что критично для алмазного инструмента, поскольку алмаз разрушается при гораздо более низких температурах, чем традиционные твердосплавные режущие кромки. Использование охлаждающей жидкости также может помочь в борьбе с пылью.

Вакуум — еще один подход к борьбе с пылью. Выбор охлаждающей жидкости или пылесоса для борьбы с пылью часто зависит от того, на какой площади образуется пыль. При выполнении многих одноточечных токарных операций пыль концентрируется на небольшой площади, и вакуум работает хорошо. При фрезеровании больших панелей может быть труднее применять вакуум, поэтому для борьбы с пылью предпочтительнее использовать охлаждающую жидкость.

Для большинства видов обработки композитных материалов предпочтительной охлаждающей жидкостью является чистая вода. Если важна борьба с ржавчиной, можно добавить небольшое количество ингибитора ржавчины (1-2 процента).Важно использовать водорастворимую охлаждающую жидкость, поскольку масла могут отрицательно повлиять на сцепление краски. Учитывая пористую поверхность композитов и тенденцию волокон впитывать масла и растворители внутрь детали, важна чистота, поскольку после этого практически невозможно удалить нежелательные загрязнения, такие как масла. Любая охлаждающая жидкость должна быть проверена и проверена, чтобы убедиться, что она не мешает краске или клеям, запланированным для использования с композитным материалом.

Последняя проблема, которую следует учитывать в отношении охлаждающих жидкостей, заключается в том, что при использовании охлаждающей жидкости для удержания пыли в результате образуется смесь охлаждающей жидкости и пыли, которая представляет собой суспензию.Удаление таких шламов часто требует дополнительных обработок, таких как удаление излишков воды, прежде чем она попадет на свалку. Эти дополнительные затраты — одна из причин, по которой следует предпочесть вакуумную очистку от пыли охлаждающей жидкости, когда охлаждающие свойства жидкости не нужны.

Управление сроком службы инструмента

Любые функции станка, которые могут помочь в управлении сроком службы инструмента, являются благом при обработке композитов. Важно отслеживать время обработки инструментов, поскольку износ инструмента намного больше из-за абразивной природы композитов.Это создает две проблемы для управления сроком службы инструмента. Во-первых, это затрудняет соблюдение допусков, когда инструмент меняет размер так быстро. Это увеличивает нагрузку на оператора по управлению этим изменением в целях соблюдения допусков. Во-вторых, по мере затупления инструмента он будет иметь большую тенденцию заедать и вытягивать волокна, лежащие в основе композита. Это приводит к неприемлемому качеству отделки и может в спешке выбраковать деталь.

Diligent Tool Life Management позволяет регулировать износ и заменять инструменты до того, как они затупятся настолько, что могут повредить детали.Учитывая, насколько дорого обходится утилизация большинства деталей из углеродного волокна, гораздо важнее заменить инструмент до того, как он затупился , чем просто ждать, чтобы определить, затупился ли инструмент из-за его воздействия на работу.

5-осевое фрезерование и фрезерование Sturz

Органические изгибы композитов часто требуют 3D-профилирования или создают проблемы с доступом и жесткостью из-за чрезмерного вылета инструмента. Для получения оптимальных результатов может потребоваться 5-осевая обработка. Техника под названием «Sturz Milling» берет обычный инструмент с радиусом острия (не обязательно со сферической головкой) и поворачивает его на бок в приложениях для 3D-профилирования.Результаты могут быть значительно быстрее, с более длительным сроком службы инструмента и более качественной обработкой поверхности, чем при использовании обычного 3-осевого станка с концевыми фрезами с шаровой головкой. Это может привести к конкурентным преимуществам для магазинов, которые инвестировали в 5-осевое оборудование и необходимое программное обеспечение CAM для использования этих технологий.

Чем помогает Sturz Milling?

Представьте себе шар, сидящий вертикально. Диапазон скоростей резания и, следовательно, силы резания сильно различаются от вершины к большему радиусу (полный радиус фрезы).Сам наконечник практически не двигается относительно диаметра. Это создает неравные нагрузки, которые могут истирать тонкие композитные волокна. Но это также заставляет движение инструмента соответствовать наименьшему общему знаменателю. Теперь наклоните тот же самый инструмент, чтобы мы в основном использовали более быстро движущуюся часть инструмента, и мы получали более однородные силы, меньшее истирание материала и возможность более быстрой подачи. Все хорошее!

имеет значение

Во многих приложениях для обработки композитных материалов используются относительно большие детали.Наличие машин с достаточной мощностью может определить, на какие вакансии магазины могут делать ставки, а какие — нет.

Насадки для фрезерования композитов

  • Обработка параллельно волокон приведет к наименьшему надрыву.
  • Используйте компрессионные резцы Router-Style, чтобы уменьшить расслоение на поверхности композита.
  • Для многослойных материалов (например, чередующихся металлических и композитных материалов) вам может потребоваться вычислить независимые подачи и скорости для каждого слоя стопки.

Присоединяйтесь к 100 000+ ЧПУ! Получайте наши последние сообщения в блоге, которые доставляются прямо на вашу электронную почту один раз в неделю бесплатно. Кроме того, мы предоставим вам доступ к некоторым отличным справочным материалам по ЧПУ, включая:

Конструкция больших гребных винтов из углеродного волокна

Реквизит для вашего маленького радиоуправляемого самолета или дрона — эффективные расходные материалы. Они пластиковые, дешевые, и многие из них сломаются. Когда вы начинаете раскачивать что-то больше 12 дюймов или около того, вещи начинают дорожать.Если вы строите гигантские осьминоги или большие радиоуправляемые самолеты, эти реквизиты начинают складываться. Возможно, вы не думаете, что сможете построить свои собственные гигантские гребные винты из углеродного волокна, но [Tech Ingredients] здесь, чтобы доказать вашу неправоту, представив невероятную видеодемонстрацию конструкции больших гребных винтов

Ключевые идеи, лежащие в основе сборки, изложены в демонстрационном видео по созданию одиночной опоры. Основа начинается с воздушной фольги из вспененного материала с ЧПУ. Этот вспененный аэродинамический профиль сначала модифицируется для точки крепления путем вырезания пробки из основания аэродинамического профиля, заполненного эпоксидной смолой.

После завершения каркаса аэродинамического профиля сборка переходит к ламинированию вспененного сердечника с углеродным волокном. Сама эпоксидная смола представляет собой ламинирующую эпоксидную смолу West Systems Pro-Set, хотя мы подозреваем, что повсеместная эпоксидная смола West Systems, используемая для всех этих «речных» журнальных столиков с живыми краями, также будет работать. Эту эпоксидную смолу разложили на столе, поверх нее наложили углеродное волокно, а второй слой углеродного волокна (проверьте «ваши отклонения!») Уложен поверх , что . Его оборачивают вокруг пенопласта, а затем отверждают с помощью электрической грелки.

Конечно, это всего лишь демонстрация изготовления одной лопасти для стойки. Следующий трюк — превратить эту единственную лопасть в пропеллер. Это делается с помощью искусно обработанной ступицы, прикрепляемой через эпоксидную заглушку, помещенную в пенопласт. Результаты такие же хорошие, как и у любой большой опоры, которую вы можете купить, и это дает дополнительное преимущество в том, что это вы сделали, а не купили.

Это действительно мастер-класс по созданию композитных материалов, который стоит часа просмотра на YouTube.Вы можете посмотреть вступительное видео ниже.

Свойства углеродного волокна | Clearwater Composites, LLC

Для новых пользователей углеродного волокна понимание свойств углеродного волокна часто является сложной задачей. Для некоторых это загадочный материал. Вот почему мы здесь.

Clearwater Composites — эксперт в области углеродного волокна и композитных материалов. Мы разбираемся в материалах до уровня волокон и знаем, как лучше всего адаптировать конструкцию из углеродного волокна для удовлетворения ваших потребностей.И мы намерены обучать наших клиентов и сообщество в целом, как можно лучше, поскольку мы твердо убеждены в том, что чем больше инженеров, дизайнеров, студентов, любителей и широкой общественности узнают и поймут об углеродном волокне, тем больше получит более широкое распространение.

Углеродное волокно с направленной зависимостью — анизотропное

При выборе изделия из углеродного волокна или при проектировании с использованием углеродного волокна одним из наиболее важных соображений является знание направления интересующего свойства.В отличие от металлов, углеродное волокно и композиты в целом называются анизотропными материалами . Это означает, что свойства материала зависят от направления . В качестве простой аналогии представьте себе кусок дерева. Прочность древесины зависит от ориентации волокон. Это верно в отношении углеродного волокна — прочность углеродного волокна зависит от ориентации волокна (зерна). С другой стороны, металлы, пластмассы и наиболее распространенные материалы обладают одинаковыми свойствами во всех направлениях.Их называют изотропными материалами.

Ключевые факторы при определении свойств композитов из углеродного волокна

Помимо зависимости от направления (анизотропии), существует множество других факторов, определяющих свойства углеродного волокна. Некоторые из ключевых факторов:

  • Тип углеродного волокна и смолы
  • Отношение волокна к смоле (количество волокна, объем волокна)
  • Форма волокна — однонаправленная, ткань, тесьма, рубленая
  • Ориентация волокна — схема расположения волокон
  • Качество — Равномерность распределения волокон, пустот и т. Д.

Варианты конструкции — индивидуальные свойства

Все вышеперечисленные факторы или варианты дизайна являются уникальным преимуществом углеродного волокна и современных композитных материалов.Деталь из углеродного волокна может быть адаптирована и спроектирована для конкретного применения. Тип волокна, количество волокна, ориентация волокна и т. Д. Могут быть изменены для достижения определенных свойств, будь то по механическим причинам (прочность, жесткость) или по другим причинам, таким как низкий CTE (коэффициент теплового расширения). Металлы и другие материалы не обладают этой способностью к адаптации. Например, на металлической детали единственное, что можно изменить, — это марка или сплав металла, а также его толщина или форма.Это оно.

Поскольку существуют буквально тысячи и тысячи вариантов, когда дело доходит до углеродного волокна, невозможно перечислить и объяснить все потенциальные свойства углеродного волокна.

Тем не менее, нижеприведенная таблица показана для сравнения, чтобы помочь конечному пользователю лучше понять свойства наиболее распространенных конструкций ламината изделий из углеродного волокна, продаваемых Clearwater Composites. Свойства других распространенных материалов, таких как сталь и алюминий, также показаны для сравнения.3) Углеродное волокно / эпоксидная смола (однонаправленная) Стандартный модуль Гибка 300 15 0,6 1,55 Углеродное волокно / эпоксидная смола (однонаправленная) Стандартный модуль упругости Торсион 20 2,2 4,5 1,55 Углеродное волокно / эпоксидная смола (однонаправленная) Промежуточный модуль Гибка 325 20 0.6 1,57 Углеродное волокно / эпоксидная смола (однонаправленная) Высокий модуль Гибка 250 30 0,6 1,59 Углеродное волокно / эпоксидная смола (однонаправленная) Сверхвысокий модуль Гибка 200 45 0,6 1,70 Сталь 4130 100 30 12 7.7 Титан 6М-4В 120 16 6,2 4,34 Алюминий 6061-T6 35 10 3,8 2,7

Примечание: Свойства композитов из углеродного волокна зависят от направления, и указанные выше свойства действительны ТОЛЬКО для одного направления, обычно называемого продольным направлением.

Заявление об ограничении ответственности: Приведенные данные и информация должны использоваться только для сравнения. Его ни в коем случае не следует использовать для целей проектирования, поскольку фактические свойства будут варьироваться в зависимости от многих факторов, включая, помимо прочего, изменение материала, условия нагрузки, воздействие окружающей среды и другие. Конечный пользователь несет полную ответственность за обеспечение безопасности использования наших продуктов и / или информации для их приложений. Clearwater Composites, LLC настоятельно призывает пользователей наших продуктов и / или информации искать подходящие технические рекомендации, включая, помимо прочего, определение соответствующего коэффициента безопасности при использовании наших продуктов и / или информации для любого приложения.

Свяжитесь с нашей командой экспертов по углеродному волокну, чтобы разработать решение для вашего конкретного применения.

Свойства углеродного волокна

Репутация

Carbon Fiber как материала приобрела мистические пропорции! Мало того, что он имеет репутацию лучшего и самого сильного, но также стало круто иметь что-то из углеродного волокна!

Я не претендую на звание эксперта. Эта статья объединяет информацию, которую я нашел в своем исследовании углеродного волокна, я не являюсь основным источником.Я стараюсь быть точным, но ДЕЛАЮ ОШИБКИ, я знаю, что это может стать неожиданностью для некоторых из вас, но это так. Если вы планируете построить мачту или другие лодочные штуки, сделайте свое исследование. Проконсультируйтесь со специалистом и будьте осторожны. Радоваться, веселиться.

Во-первых, что такое углеродное волокно

Углеродное волокно, что неудивительно, состоит из кристаллов углерода, расположенных вдоль длинной оси. Эти кристаллы в форме соты образуют длинные сплющенные ленты. Такое выравнивание кристаллов делает ленту прочной по длинной оси.В свою очередь, эти ленты выравниваются внутри волокон. Форма волокна — это исходная форма материала (его предшественника), используемого для производства углеродного волокна. Я не знаю ни одного процесса, при котором волокна формируются ПОСЛЕ карбонизации. Эти волокна (содержащие плоские ленты из кристаллов углерода), в свою очередь, объединяются производителем в более толстые волокна и вплетаются в углеродную ткань, превращаются в войлок, скручиваются или связываются без скручивания. Это называется Ровинг. Углеродное волокно также предлагается в виде рубленых прядей и порошка.

Чтобы изменить характеристики укладки, иногда добавляют другие материалы, такие как стекловолокно, кевлар или алюминий. Углеродное волокно в качестве него используется редко. Скорее он встроен в матрицу. В производстве мачт и лодок мы обычно думаем о эпоксидных или полиэфирных смолах, но углеродное волокно также используется в качестве армирования для термопластов, бетона или керамики.

Производство углеродного волокна

Существует несколько методов изготовления углеродного волокна, но, по сути, все они начинаются с изготовления волокон из материала-предшественника, богатого углеродом.Исходный размер и форма волокна сохранятся в готовом углеродном волокне, но внутренняя химическая структура будет значительно изменена в результате различных циклов нагрева. Первыми шагами являются карбонизация и растяжение волокон-прекурсоров, будь то ПАН: полиакрилонитрил, смола или вискоза. Есть несколько циклов нагрева при различных температурах, исключая кислород. Этот процесс вытесняет большинство других элементов (в основном водород и азот) из исходного материала, оставляя углерод.Это также позволяет углю постепенно кристаллизоваться в его характерном сотовом стиле. Если вы еще не видели его, перейдите на мою страницу Исследования углерода и посмотрите видео о структуре углеродного волокна. это потрясающе.

Это видео на Youtube показывает, как производится углеродное волокно, и его стоит посмотреть.

Наиболее важными факторами, определяющими физические свойства углеродного волокна, являются степень карбонизации (содержание углерода, обычно более 92% по массе) и ориентация слоев слоистых углеродных плоскостей (лент).Волокна производятся в промышленных масштабах с широким диапазоном вариаций содержания кристаллических и аморфных форм для модификации или улучшения различных свойств.

В зависимости от исходного материала и процесса карбонизации углеродное волокно модифицируется для соответствия конечному назначению. ПАН или полиакрилонитрил — наиболее распространенный прекурсор для пластиковых композитов.

Основными вариациями характеристик является зависимость прочности от жесткости. Используя разные циклы нагрева, можно выделить любой из них. Ведутся исследования по изменению других характеристик, таких как тепло и электропроводность.

Важна не только внутренняя структура волокон, но и то, как они выстраиваются в готовую продукцию, имеет огромное влияние на свойства изготавливаемого изделия. Правильное выравнивание углеродных волокон необходимо для максимизации их преимуществ.

Свойства углеродного волокна, что не стоит любить !!

  1. Высокая прочность по отношению к массе
  2. Жесткость
  3. Коррозионная стойкость
  4. Электропроводность
  5. Сопротивление усталости
  6. Хорошая прочность на разрыв, но хрупкость
  7. Огнестойкость / Невоспламеняющийся
  8. Высокая теплопроводность в некоторых формах
  9. Низкий коэффициент теплового расширения
  10. Неядовит
  11. Биологически инертный
  12. Рентгеновский проницаемый
  13. Относительно дорого
  14. Для использования требуется специальный опыт и оборудование.

Я не писал подробно, но углеродное волокно является самосмазывающимся, оно также обладает отличным экранированием от электромагнитных помех.

1- Углеродное волокно имеет высокое отношение прочности к весу (также известное как удельная прочность)

Прочность материала — это сила, приходящаяся на единицу площади при разрушении, деленная на его плотность. Любой прочный И легкий материал имеет подходящее соотношение прочности и веса. Такие материалы, как алюминий, титан, магний, углерод и стекловолокно, высокопрочные стальные сплавы, имеют хорошее соотношение прочности к весу.Неудивительно, что древесина бальзы отличается высоким соотношением прочности и веса.

Следующие цифры предлагаются только для сравнения и будут варьироваться в зависимости от состава, сплава, типа крестовины, плотности древесины и т. Д. Единицы измерения — кНм / кг.

Spectra fiber 3619
Кевлар 2514
Углеродное волокно 2457
Стекловолокно 1307
Spider Silk 1069
Углеродный эпоксид 785
Осевая нагрузка бальзы 521
Стальной сплав 254
Алюминиевый сплав 222
полипропилен 89
Дуб 87
Нейлон 69

Обратите внимание, что прочность и жесткость — это разные свойства, прочность — это сопротивление разрушению, жесткость — это сопротивление изгибу или растяжению.

Из-за того, как кристаллы углеродного волокна ориентируются в длинной плоской ленте или узких листах сотовых кристаллов, прочность при движении по длине выше, чем по волокну. Вот почему дизайнеры объектов из углеродного волокна определяют направление укладки волокна, чтобы обеспечить максимальную прочность и жесткость в определенном направлении. Волокно выравнивается в направлении наибольшего напряжения.

Углеродное волокно-предшественник на основе пека имеет более высокую прочность, чем углеродное волокно на основе пека, которое имеет более высокую жесткость.

2- Углеродное волокно очень жесткое

Жесткость или жесткость материала измеряется модулем Юнга и измеряет, насколько материал прогибается под действием напряжения. Пластик, армированный углеродным волокном, более чем в 4 раза жестче, чем пластик, армированный стекловолокном, почти в 20 раз больше, чем сосна, в 2,5 раза больше, чем алюминий. Дополнительную информацию о жесткости и способах ее измерения, а также сравнительную таблицу различных материалов см. На моей странице модуля Юнга.

Помните, что напряжение — это сила, деформация — это отклонение, такое как изгиб или растяжение

3- Углеродное волокно устойчиво к коррозии и химически стабильно.

Хотя углеродные волокна сами по себе не подвержены значительному износу, эпоксидная смола чувствительна к солнечному свету и требует защиты. Другие матрицы (независимо от того, в какое углеродное волокно встроено) также могут быть реактивными.

Углеродные волокна подвержены воздействию сильных окислителей

Композиты из углеродного волокна должны быть изготовлены из эпоксидной смолы, устойчивой к ультрафиолетовому излучению (редко), либо покрыты стойкой к ультрафиолетовому излучению отделкой, такой как лаки.

4- Углеродное волокно электропроводное

Эта функция может быть полезной или мешать.При строительстве лодок необходимо учитывать проводимость, так же как и проводимость алюминия. Электропроводность углеродного волокна может способствовать гальванической коррозии фитингов. Тщательная установка может уменьшить эту проблему.

Углеродная пыль может накапливаться в магазине и вызывать искры или короткое замыкание в электрических приборах и оборудовании.

В настоящее время ведется довольно много исследований и разработок по использованию электропроводности углеродного волокна для получения тепла либо для более быстрого отверждения композитных материалов, либо для самих нагревательных свойств.Это может применяться в зимней одежде или в одежде, предназначенной для суровых условий окружающей среды.

Вот исследовательский документ о проводящих тканях и их использовании в боевом обнаружении ран. PDF файл

5- Усталостное сопротивление хорошее

Устойчивость к усталости композитов из углеродного волокна — хорошая. Однако, когда углеродное волокно выходит из строя, оно обычно катастрофически выходит из строя без значительных внешних признаков, свидетельствующих о его неизбежном отказе.

Повреждение в результате усталости при растяжении рассматривается как снижение жесткости при увеличении числа циклов напряжения (если температура не является высокой)

Испытания показали, что отказ вряд ли будет проблемой, если циклические напряжения совпадают с ориентацией волокна.Углеродное волокно превосходит стекло E по усталостной и статической прочности, а также по жесткости.

Ориентация волокон И различная ориентация волоконных слоев имеют большое влияние на то, как композит будет сопротивляться усталости (как и на жесткость). Тип приложенных сил также приводит к разным типам отказов. Силы растяжения, сжатия или сдвига приводят к заметно разным результатам разрушения.

Бумага Национальной лаборатории Ок-Ридж об испытании композитов из углеродного волокна, предназначенных для использования в автомобилях.Американский институт аэронавтики и астронавтики, испытание материалов, которые будут использоваться в лопастях ветряных турбин.

6- Углеродное волокно имеет хорошую прочность на разрыв

Предел прочности или предела прочности — это максимальное напряжение, которое может выдержать материал при растяжении или растяжении до образования шейки или разрушения. Сужение — это когда поперечное сечение образца начинает значительно сокращаться. Если вы возьмете полоску полиэтиленового пакета, она растянется и в какой-то момент начнет сужаться. Это шею.Прочность на растяжение измеряется в силе на единицу площади. Хрупкие материалы, такие как углеродное волокно, не всегда выходят из строя при одном и том же уровне напряжения из-за внутренних дефектов. Они терпят неудачу при малых деформациях. (другими словами, перед катастрофическим разрушением не происходит большого изгиба или растяжения) Модуль Вейбулла для хрупких материалов

Испытание включает взятие образца с фиксированной площадью поперечного сечения, а затем его вытягивание, постепенно увеличивая силу, пока образец не изменит форму или не сломается. Волокна, такие как углеродные волокна, имеющие диаметр всего 2/10 000-х дюйма, превращаются в композиты соответствующей формы для испытаний.

Единицы измерения — МПа Эта таблица предлагается только для сравнения, так как в ней много переменных.

Углеродистая сталь 1090 650
Полиэтилен высокой плотности (HDPE) 37
Полипропилен 19,7-80
Полиэтилен высокой плотности 37
Нержавеющая сталь AISI 302 860
Алюминиевый сплав 2014-T6 483
Алюминиевый сплав 6063-T6 248
Только E-Glass 3450
E-Glass в ламинате 1500
Только углеродное волокно 4127
Углеродное волокно в ламинате 1600
Кевлар 2757
Сосновая древесина (параллельно волокнам) 40

ПРИМЕЧАНИЕ : При тестировании углеродного волокна, других волокон и неоднородных материалов следует брать образцы, которые nt и сопоставимые.Это непростая процедура. Если вы читаете исследования, в которых сравнивается прочность / жесткость, исследователи всегда объяснят, как были изготовлены их образцы, включая тип матрицы, расположение волокон, соотношение волокон к матрице и другие факторы. Эта трудность объясняет, почему измерения могут сильно различаться в зависимости от результатов исследования.

7- Огнестойкость / невоспламеняющийся

Вот статья о переработке углеродного волокна путем сжигания матрицы.

Углеродное волокно классифицируется как негорючее и не имеет указанной температуры вспышки.Если он подвергается воздействию высоких температур в присутствии горящего топлива, он может в конечном итоге окислиться, но как только пламя и топливо удалены, пламя не продолжается.

Поскольку углеродное волокно почти всегда используется в матрице, такой как эпоксидная смола, пластик или бетон, устойчивость матрицы к высоким температурам является более важным фактором.

В зависимости от производственного процесса и материала-предшественника углеродное волокно можно сделать так, чтобы оно было достаточно мягким на ощупь, и его можно использовать в защитной одежде для пожарных или, что более часто, интегрировать в нее.Примером может служить волокно с никелевым покрытием. Поскольку углеродное волокно также химически очень инертно, его можно использовать там, где есть огонь в сочетании с коррозионными агентами. ПОКРЫТИЕ ДЛЯ СВАРКИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ВОЙНА — ЧЕРНОЕ, 18 «X 24» Эти войлочные покрытия из углеродного волокна также используются для защиты подложек при пайке водопроводных труб .

8- Теплопроводность углеродного волокна

См. Мою статью о теплопроводности углеродных материалов, включая углеродное волокно, нанотрубки и графен.

Теплопроводность — это количество тепла, передаваемого через единицу толщины в направлении, нормальном к поверхности единицы площади, из-за единичного температурного градиента в установившихся условиях.Другими словами, это мера того, насколько легко тепло проходит через материал.

Существует ряд систем мер в зависимости от метрических или британских единиц.

1 Вт / (м · К) = 1 Вт / (м o C) = 0,85984 ккал / (час o C) = 0,5779 БТЕ / (фут-час o F)

Эта таблица предназначена только для сравнения. Единицы: Вт / (м · К)

Воздух .024
Алюминий 250
Бетон .4 — .7
Углеродистая сталь 54
Изоляция из минеральной ваты .04
Фанера .13
Кварц 3
Стекло Pyrex 1
Сосна .12
Эпоксидная смола, армированная углеродным волокном 24

Поскольку существует множество вариантов углеродного волокна, невозможно точно определить теплопроводность.Специальные типы углеродного волокна были специально разработаны для обеспечения высокой или низкой теплопроводности. Также предпринимаются попытки улучшить эту функцию.

Общество информации о материалах имеет страницу о «графите» AKA Carbon Fiber

9- Низкий коэффициент теплового расширения

Это мера того, насколько материал расширяется и сжимается при повышении или понижении температуры.

Единицы измерения указаны в дюймах / дюймах по шкале F, как и в других таблицах, единицы не так важны, как сравнение.

Сталь 7
Алюминий 13
Кевлар 3 или ниже
Тканое углеродное волокно 2 или меньше
Углеродное волокно, однонаправленное минус от 1 до + 8
Стекловолокно 7-8
Латунь 11

Углеродное волокно может иметь широкий диапазон CTE, от -1 до 8+, в зависимости от измеренного направления, переплетения ткани, материал-предшественник, на основе пэка (высокая прочность, более высокий КТР) или на основе пека (высокий модуль / жесткость, более низкий КТР).

При достаточно высокой мачте разница в коэффициентах теплового расширения различных материалов может незначительно изменить напряжения буровой установки.

Низкий коэффициент теплового расширения делает углеродное волокно подходящим для применений, где малые движения могут быть критичными. Одно из таких приложений — телескоп и другое оптическое оборудование.

10-11-12 Неядовит, биологически инертен, проницаем для рентгеновских лучей

Это качество делает углеродное волокно полезным в медицине. Использование протезов, имплантатов и восстановления сухожилий, рентгеновские аксессуары, хирургические инструменты — все это находится в стадии разработки.

Углеродные волокна, хотя и не ядовиты, могут вызывать сильное раздражение, поэтому необходимо ограничить длительное незащищенное воздействие. Однако эпоксидная или полиэфирная матрица может быть токсичной, поэтому необходимо соблюдать осторожность.

13- Углеродное волокно относительно дорогое

Хотя он предлагает исключительные преимущества прочности, жесткости и снижения веса, его стоимость является сдерживающим фактором. Если преимущество в весе не является исключительно важным, например, в аэронавтике или гонках, оно часто не стоит дополнительных затрат.Дополнительным преимуществом является низкая потребность в обслуживании углеродного волокна.

Трудно количественно охарактеризовать круто и модно. Углеродное волокно имеет ауру и репутацию, которые заставляют потребителей платить больше за то, чтобы иметь его.

Возможно, вам понадобится меньше его по сравнению со стекловолокном, и это может быть вашей экономией.

Fiber Glast Real Carbon Fiber Fabric — 3K, 2 X 2 — Twill Weave — Рулон 1 ярд

Noahs поставляет углеродное волокно и стеклоткань любителям судостроения, загляните в их онлайн-каталог и сравните цены.(Канадский магазин)

14- Углеродные волокна хрупкие

Слои волокон образованы прочными ковалентными связями. Листовые агрегаты легко допускают распространение трещин. Когда волокна изгибаются, они выходят из строя при очень низкой деформации. Другими словами, углеродное волокно не сильно изгибается перед тем, как выйти из строя.

Влияние изменения соотношения углеродного волокна и матрицы

15- Углеродное волокно еще не предназначено для любительской техники.

Чтобы максимально улучшить характеристики углеродного волокна, необходимо достичь относительно высокого уровня технического совершенства.Дефекты и пузырьки воздуха могут существенно повлиять на производительность. Обычно требуются автоклавы или вакуумное оборудование. Формы и оправки также являются основными расходами.

Успех любой любительской конструкции из углеродного волокна будет тесно связан с мастерством и вниманием.

Вот ссылка на видео на YouTube от Easy Composite Ltd. о различных методах использования углеродного волокна. У них есть ряд обучающих видео.


Эта статья находится в стадии разработки.Я буду продолжать добавлять информацию и уточнять текст по мере изучения темы. Информация, которую я представил, получена из различных источников. Я пытался проверить это, когда мог. Я стараюсь использовать «надежные источники», такие как данные производителя, исследовательские работы или университетские статьи. Я также полагаюсь на Википедию для обзора.
Хорошая статья из Университета Теннесси о производстве углеродного волокна.
Кристина.


напишите мне, если вы обнаружите ошибки, я исправлю их, и мы все выиграем: Кристина

Carbon Fiber Edition> ИНЖИНИРИНГ.com

Если индустрия 3D-печати стоимостью 7 миллиардов долларов собирается захватить значительную долю производственного рынка стоимостью в триллион долларов, технология должна будет развиваться как с точки зрения самих процессов, так и с точки зрения используемых в них материалов. В то время как Carbon и HP демонстрируют, что процессы догоняют и могут даже вытеснить традиционные методы производства, 3D-печати все еще предстоит сделать большой прогресс в плане адаптации материалов, используемых в традиционном производстве, для аддитивного производства (AM).

Материалы адаптируются, однако многочисленные химические компании, от DuPont до Eastman, выходят на растущий рынок материалов для 3D-печати, который, по оценкам исследовательской компании IDTechEx, к 2025 году достигнет 8,3 миллиарда долларов. Фотополимеры в настоящее время занимают самую большую долю рынка материалов для 3D-печати, но, чтобы конкурировать с традиционным производством, композитные материалы будут иметь важное значение для того, чтобы сделать 3D-печать жизнеспособной технологией для замены традиционных процессов.

Что касается композитов, одним из наиболее важных для обрабатывающей промышленности материалов являются материалы, армированные углеродным волокном. Армирование углеродным волокном может обеспечить дополнительную прочность детали при сохранении меньшего веса, что делает его экономически эффективной альтернативой таким металлам, как титан. В свою очередь, этот материал используется в областях, в которых вес и прочность имеют решающее значение, например, в аэрокосмической промышленности или автомобильной промышленности.

Однако в нынешнем виде существует лишь несколько методов для внедрения этого легкого, но прочного материала в существующие процессы 3D-печати.Здесь мы рассказываем обо всех известных усилиях, предпринимаемых для того, чтобы внедрить композиты из углеродного волокна в послойный мир AM. Держитесь за свои места! Мы вот-вот вступим в мир высокопроизводительных армированных углеродным волокном.

Как углеродное волокно связывает нашу жизнь

Хлопок может быть тканью нашей жизни, но с 1970-х годов углеродное волокно стало тканью наших промышленных производственных операций. Хотя он может больше всего использоваться в аэрокосмической промышленности, этот материал все чаще используется в автомобилестроении, спортивных товарах, гражданском строительстве и электронике.

Airbus A350 XWB, показанный в цветах Thai Airways, на 52% состоит из деталей из углеродного волокна (изображение любезно предоставлено Airbus.)

Многие производители в аэрокосмической отрасли применяют армирование углеродным волокном в производстве из-за высокого отношения прочности к весу. Несмотря на то, что углеродное волокно остается прочным, его можно использовать для замены металлических деталей, уменьшая вес самолета и, таким образом, уменьшая расход топлива, необходимого для полета самолета. До постройки нового Airbus A350 XWB, который на 52% состоит из компонентов из армированного углеродным волокном полимера (CFRP), у Boeing 787 Dreamliner было наибольшее количество деталей из углепластика, составляющих 50 процентов самолета.

Высокопроизводительные автомобили в значительной степени имеют усиление из углеродного волокна, но из-за цены материала детали из углепластика не спешили внедряться в большинство автомобилей массового производства. По этой причине вы, скорее всего, увидите усиление углеродным волокном, используемое в гоночных автомобилях, чем в четырехдверном седане. При этом производители пытаются внедрить компоненты из углепластика в основные автомобили, такие как BMW i3, который имеет шасси в основном из углепластика.

BMW i3 с деталями из углепластика. (Изображение предоставлено BMW.)

Если вы серьезный велосипедист, ваш велосипед может иметь раму из углеродного волокна. Если вы едете по мосту, он может быть усилен углеродным волокном, что иногда применяется при модернизации старых конструкций. Если вы несете теннисную ракетку или ловите волну на доске для серфинга, велика вероятность, что вы делаете это с помощью углеродного волокна. Если у вас в кармане есть микроэлектроды для измерения концентрации дофамина, то они тоже сделаны из углеродного волокна.

Как производятся композиты из углеродного волокна

Углеродные волокна, изобретенные различными инженерами в конце 19 века, состоят из отдельных нитей атомов углерода толщиной от 5 до 10 микрон.Около 90 процентов углеродных волокон получают путем нагревания полимера под названием полиакрилонитрил (ПАН) в несколько стадий до тех пор, пока он не унесет все атомы, включая водород и азот, кроме атомов углерода.

Помимо этого процесса PAN, примерно 10 процентов углеродного волокна производится с помощью процесса пека, который включает нагрев растений, сырой нефти или угля до студенистого материала с последующим осаждением его на охлаждающем колесе перед применением последующих процедур. В то время как углеродное волокно, изготовленное из PAN, известное как турбостратные углеродные волокна, имеет высокую прочность на разрыв, углеродные волокна, полученные с помощью последнего процесса, обладают высокой жесткостью и теплопроводностью.

Хотя углеродное волокно может быть намотано в катушку, известную как жгут, и использовано само по себе, его чаще сплетают в листы и комбинируют с полимером для образования композитов, армированных углеродным волокном. В этом случае смолистый полимер, часто называемый «матрицей», действует как связующее, которое связывает углеродное волокно с торцевой частью или внутри нее. Эти матричные материалы, часто термореактивные пластмассы, могут варьироваться от нейлона и полиэфирэфира (PEEK) до кевлара и полиэстера.

Процесс создания деталей из пластика / полимера, армированного углеродным волокном, зависит от типа изготавливаемого объекта.Например, ткань из углеродного волокна может быть уложена в форму в форме конечного продукта до того, как форма будет заполнена матричным материалом и нагрета или отверждена на воздухе.

В противном случае форма может быть облицована армирующим материалом перед помещением в вакуумный мешок, который затем заполняется матричным материалом. Оба эти процесса могут также выполняться с волокнистым композитом, который уже пропитан матричным материалом («предварительная обработка»), чтобы повысить эффективность процесса.Другой метод, используемый такими компаниями, как BMW, заключается в том, что армирующие и матричные материалы сжимаются между охватываемой и охватывающей частями металлической формы.

Большинство методов изготовления деталей из углепластика были трудоемкими, но начинают разрабатываться новые методы автоматизации. Станки с числовым программным управлением (ЧПУ) с ценами в десятки миллионов долларов могут наносить полосы армирующего материала на полимерную деталь, обрезать полосы до необходимой длины и применять тепло для их сплавления, прежде чем деталь будет помещена в автоклав для окончательного отверждения.

Эти процессы часто трудозатратны и дороги, поскольку укладка углеродного волокна выполняется либо утомительно вручную, либо с использованием автоматизированных машин, которые слишком дороги для любого, кроме более крупных производителей. Благодаря 3D-печати деталей из углепластика можно сократить количество ручных элементов, связанных с этим, а также предоставить возможность индивидуального изготовления единичных деталей или небольших производственных партий с повышенной геометрической сложностью.

Углеродное волокно для 3D-печати

На данный момент самым простым методом внедрения углеродного волокна в процесс 3D-печати может быть использование филамента CFRP.Этот типичный материал сочетает в себе рубленое углеродное волокно с термопластом для создания композитной нити, которую можно экструдировать с помощью технологий производства плавленых нитей (FFF). 3D-принтеры FFF часто представляют собой недорогие системы начального уровня, но также могут быть профессиональными и промышленными машинами.

Существует несколько производителей волокон из углепластика, использующих разную степень армирования углеродным волокном и различные матричные материалы. ColorFabb, базирующаяся в Нидерландах, производит XT-CF20, материал, который объединяет модифицированный полиэтилентерефталатгликолем (ПЭТГ) сополиэфир компании Eastman Chemical, модифицированный полиэтилентерефталатом, с 20% рубленого углеродного волокна.Carbon Fiber PLA Proto-pasta представляет собой смесь полимолочной кислоты (PLA), пластика, полученного из кукурузного крахмала, и рубленого углеродного волокна.

Радиоуправляемый автомобиль, напечатанный на 3D-принтере XT-CF20. (Изображение любезно предоставлено colorFabb.)

Компания

Markforged, которая производит собственный 3D-принтер из углеродного волокна, который будет обсуждаться в следующем разделе, также производит композит нейлон-углеродное волокно. 3DXTECH производит множество различных волокон из углеродного волокна, от PLA и акрилонитрилбутадиенстирола (ABS) до PETG, нейлона и PEEK.

Каждая разновидность нити накала обладает разными характеристиками. В то время как композит PLA может быть самым легким для печати, ABS или PETG могут быть немного прочнее, не нарушая банк. Нейлон будет еще более прочным и износостойким, чем другие варианты, но более высокая цена PEEK позволит вам создавать детали, которые действительно могут быть промышленного качества. Хотя все они могут быть прочнее, чем их аналоги из неуглеродного волокна, PEEK будет самым прочным и наиболее термостойким, химически и влагостойким из всех.

Эти волокна могут быть более чем в два раза прочнее материалов без углеродного волокна; тем не менее, рубленое углеродное волокно имеет ограниченные возможности по прочности, потому что материал, в общем, рубленый. Непрерывное армирование углеродным волокном может быть еще более долговечным благодаря тому факту, что тысячи углеродных волокон собраны вместе в длинные пряди, а не разбиты и разбросаны по преимущественно пластиковой части.

По этой причине Arevo Labs разработала не только формы нити с рубленым углеродным волокном, но и материалы с непрерывной нитью из углеродного волокна, а также материалы с углеродными нанотрубками.Как пояснил Хемант Бхеда, генеральный директор Arevo Labs: «У нас есть процесс объединения непрерывных волокон с термопластическим материалом. Этот процесс не связан с 3D-принтером. Углеродные нановолокна обрабатываются так же, как и любые другие непрерывные волокна. Углеродные нановолокна имеют гораздо более высокую прочность по сравнению с углеродными волокнами ».

Независимо от того, используют ли они рубленое углеродное волокно, углеродные нанотрубки или непрерывное углеродное волокно, большинство технологий 3D-печати по-прежнему страдают от характеристики, известной как расслоение, при которой слои на оси Z не полностью сплавлены и не разделяются.По этой причине Arevo Labs разработала технику пятиосевой 3D-печати, которая позволяет печатать не только по осям X, Y и Z, но практически под любым углом.

Бхеда описал преимущества этого процесса: «Мы расширяем [традиционное] осаждение до [нашего] истинного трехмерного осаждения. Классическая «3D-печать» наносит материал только в плоскости XY. Мы называем это «2.5D печатью». 2.5D печать вызывает слабость в направлении Z. Это также называется расслаиванием. Поскольку наша пятиосевая роботизированная рука, управляемая нашими программными алгоритмами, может наносить материал на трехмерную поверхность (не ограничиваясь плоскостью XY), это обеспечивает более высокую прочность в направлении Z и улучшенный внешний вид.”

3D-печать с использованием непрерывного углеродного волокна

В настоящее время производство непрерывных волокон (CFF) Markforged — один из немногих методов 3D-печати из углеродного волокна на рынке и один из двух, о которых я знаю, с использованием непрерывного углеродного волокна. Технология похожа на FFF в том, что она выдавливает термопласт из печатающей головки на подложку слой за слоем, пока объект не будет готов. Однако CFF добавляет второй экструдер, который подает нити волокнистой нити в отпечаток во время процесса.

Markforged был запущен с 3D-принтером Mark One на выставке SOLIDWORKS World 2014, но с тех пор модернизировал систему, сделав ее немного крупнее, качественнее и надежнее с помощью Mark Two. Mark Two может выполнять 3D-печать с использованием нейлона или нейлона, армированного углеродным волокном, в качестве материала матрицы, а также различных армирующих материалов, включая углерод, стекловолокно, высокопрочное и жаропрочное стекловолокно и кевлар.

Синтия Гумберт, вице-президент по маркетингу Markforged, объяснила, что технология компании позволяет изготавливать такие объекты, как инструменты, производственное оборудование, детали конечного использования и даже ортопедические изделия, обладающие высокой прочностью и легкостью благодаря процессу CFF.«Многие из наших клиентов теперь печатают детали, которые раньше изготавливались из металла», — сказал Гумберт. «Экономия средств, времени и материалов с помощью CFF создает новую экономию для 3D-печати со значительной экономией по сравнению с обработкой и традиционными процессами производства композитов».

Она отметила, что принтеры Markforged также не производят отходов, в отличие, скажем, от селективного лазерного спекания, а готовые детали не требуют последующей обработки. Использование нейлона или нейлона, армированного углеродным волокном, в качестве материала оболочки также приводит к созданию деталей с низким коэффициентом трения, что полезно для производства инструментов и приспособлений.Гумберт добавил: «[CFF — это] единственная усовершенствованная трассировка волокон [процесс, который следует] специально разработанным контурам. Это большой шаг вперед по сравнению с традиционным подходом на основе листов — мы можем проследить контур и усилить его. Например, мы можем напечатать кольца вокруг отверстия, чтобы укрепить отверстие. В методе старого слоя все волокна, ведущие к опоре, являются свободными, обрезанными концами, которые необходимо укрепить вставками. Наше непрерывное волокно укладывается до отверстия, вокруг него и затем обратно. Далее чередуем швы на каждом слое, чтобы не было слабых мест.”

Mark One и Mark Two зарекомендовали себя как уникальные возможности для производства нестандартных армированных волокном деталей по доступной цене. Mark Two начинается с 5499 долларов, давая небольшим лабораториям и крупным компаниям возможность создавать прототипы деталей или производить конечные продукты, армированные углеродным волокном и другими материалами.

Однако Markforged — не единственная компания, которая разработала метод укладки непрерывного углеродного волокна в отпечаток. Калифорнийская компания Orbital Composites Inc.создал экструдер, который также может наполнять отпечатки углеродным волокном. Пока что по крайней мере одна фирма полагается на эту технологию для своего собственного принтера из углеродного волокна и даже планирует отправить на Международную космическую станцию ​​версию, предназначенную для работы в условиях микрогравитации.

В космосе или на земле одним из недостатков этой технологии является тот факт, что некоторые сложные геометрические формы и мелкие детали могут быть недоступны для печати с армированием углеродным волокном. Хотя CFF легко может печатать объекты 3D, которые обычно можно фрезеровать на станках с ЧПУ, сложную решетку нельзя напечатать с армированием.Кроме того, как и все платформы FFF, CFF может быть не таким быстрым, и при 320 мм x 132 мм x 154 мм (12,6 дюйма x 5,2 дюйма x 6,1 дюйма) платформа сборки относительно мала.

Невозможная скорость и гибкость при 3D-печати из углеродного волокна

В то время как машины Markforged являются настольными принтерами, для новых технологий 3D-печати из углеродного волокна могут потребоваться специальные производственные мощности или механический цех. Это может быть верно в отношении технологии аддитивного производства на основе композитов (CBAM) Impossible Objects.Однако процесс CBAM компании может решить некоторые из ограничений, с которыми сталкиваются настольные принтеры из углеродного волокна, за счет объединения армирования волокном с любым количеством матричных материалов на потенциально высоких скоростях и в масштабируемых размерах.

После того, как файл CAD был нарезан на отдельные слои растрового изображения, принтер наносит раствор для печати на водной основе в форме этого растрового изображения на лист подложки, сделанный из заданного армирующего материала. Лист подложки затем заливается термопластичным матричным материалом, который прилипает только к водному раствору.Затем порошок выдувается или откачивается, остается только пластик, прилипший к жидкости.

Струйная головка CBAM для нанесения жидкого раствора. (Изображение любезно предоставлено компанией Impossible Objects.)

Этот процесс повторяется с каждым слоем файла САПР, при этом все листы подложки, наконец, складываются, сжимаются и помещаются в печь для сплавления материала матрицы. Затем объект вынимается из печи, а излишки армирующего материала удаляются с помощью химической ванны или пескоструйной обработки.В результате получается термопластичный принт, усиленный чем угодно — от углеродного волокна, стекловолокна, полиэстера, поливинилового спирта и PLA до шелка и хлопка.

Эти отпечатки могут быть до 10 раз прочнее, чем компоненты, изготовленные с помощью FFF или других процессов 3D-печати. Кроме того, поскольку CBAM не плавит термопластический материал, как это происходит с FFF, для 3D-печати доступно более широкий спектр материалов, таких как PEEK.

Имплант бедренной ножки, напечатанный на 3D-принтере из углеродного волокна и PEEK. (Изображение любезно предоставлено Impossible Objects.)

Более того, поскольку струйные головки могут наносить миллионы капель в секунду, можно печатать гораздо быстрее. Основатель и генеральный директор компании Роберт Шварц считает, что Impossible Objects может создать машину CBAM, способную выполнять 3D-печать со скоростью 100 метров в минуту. В настоящее время прототип машины может печатать на листах размером 12 x 16 дюймов (305 x 406 мм), но он считает, что этот размер можно увеличить для изготовления целых капотов автомобиля.

Геометрия, которую можно напечатать с помощью CBAM, зависит от используемого армирующего материала.В частности, 3D-печать углеродным волокном требует использования пескоструйной обработки для удаления опорных структур и излишков материала, так что внутренние детали не могут быть легко удалены во время последующей обработки. Однако при использовании химических процессов геометрическая сложность намного больше, поскольку излишки материала растворяются.

Хотя CBAM не так прочен, как детали, изготовленные традиционным способом, армированные углеродным волокном, он может изготавливать компоненты намного более прочные, чем многие другие технологии 3D-печати.Поэтому он может быть идеальным для более быстрого и доступного создания сложных и прочных деталей, чем те, которые производятся с использованием традиционных технологий. Как и в случае с CFF, этот процесс намного более автоматизирован, чем обычные методы армирования углеродным волокном.

Swartz рассказал о том, как технология компании продвигает современные достижения в области 3D-печати. «Самая большая проблема для AM — это способность создавать легкие функциональные детали и делать это быстро», — сказал он. «CBAM на основе углеродного волокна позволяет производить детали с большой механической прочностью, которые могут использоваться в приложениях для замены металлов, и с гораздо лучшими механическими свойствами, чем существующие процессы AM, такие как избирательное лазерное спекание, наплавление или стереолитография.Кроме того, CBAM быстрее существующих процессов ».

Он добавил: «Это открывает ряд рынков, включая медицину, аэрокосмическую промышленность и спорт, а также другие области, такие как легковес в автомобильной промышленности, где очень важно превосходное соотношение прочности и веса углеродного волокна».

Однако 3D-принтер CBAM еще не представлен на рынке. Impossible Objects планирует отгрузить машины для бета-тестирования в начале 2017 года. Однако, когда системы CBAM будут доступны для покупки, они, вероятно, будут дешевле, чем высокопроизводительные 3D-принтеры Stratasys, EOS и HP.

3D-печать из углеродного волокна

CBAM — не единственная новая технология 3D-печати из углеродного волокна на горизонте. На RAPID 2016 пионер цифровой обработки света EnvisionTEC представила свой массивный 3D-принтер SLCOM 1, в котором используется запатентованная технология производства композитных объектов с селективным ламинированием (SLCOM).

3D-принтер SLCOM 1 может выполнять 3D-печать крупномасштабных композитных деталей.

Помните «pre-pregs» из ранее в этой статье? SLCOM использует рулоны тканого армирующего материала, в том числе углеродного волокна, стекловолокна и кевлара, предварительно пропитанного термопластом, таким как PEEK, полиэфиркетонкетон, поликарбонат, нейлон 6, нейлон 11 или нейлон 12.Ролик подается в камеру печати слой за слоем, при этом нагретый валик проходит по нему, чтобы расплавить термопласт внутри. В то же время струйная головка наносит воск и связующее на металл. Углеродное лезвие с прикрепленным к нему ультразвуковым излучателем отсекает любую область воском.

Две композитные детали, напечатанные на 3D-принтере с помощью новой платформы SLCOM от EnvisionTEC.

SLCOM 1 может печатать на 3D-принтере детали размером 24 x 30 x 24 дюйма (610 x 762 x 610 мм) и весом до 500 фунтов (226.8 кг). Столь массивный принт обойдется примерно в 1 миллион долларов, когда машина будет выпущена этой зимой.

Джон Хартнер, главный операционный директор EnvisionTEC, смог пролить свет на возможности, предлагаемые процессом SLCOM. Он отметил, что принтер предназначен для аэрокосмической, автомобильной и оборонной промышленности и, следовательно, предназначен для решения некоторых ключевых проблем, связанных с созданием композитных деталей, таких как ограничения ручной укладки композитов и проблемы обработки препрегов. .

«Наш новый 3D-принтер способен изготавливать крупные детали из тканого волокна и нестандартные детали, которые являются прочными и легкими и обладают определенными функциональными характеристиками, которые стали возможными благодаря использованию различных композитных матриц», — пояснил Хартнер. «В частности, наша технология упрощает процесс создания композитных деталей и позволяет круглосуточно и без выходных производить готовые и почти готовые высококачественные композитные детали, которые при желании можно подвергнуть механической обработке. Мы считаем, что это знаменует начало захватывающего нового периода развития композитного производства.”

Хартнер пояснил, что аэрокосмические и оборонные компании проявили особый интерес к этой технологии с нацеленностью на гибкое и быстрое производство. Однако он считает, что вскоре появятся и другие отрасли, учитывая способность SLCOM 1 производить высокопрочные, легкие детали или детали со специальными функциями.

«Например, технология SLCOM может использоваться для производства деталей из самых разных композитных материалов по индивидуальному заказу, а комбинации композитов могут быть выбраны для различных функций, таких как низкая воспламеняемость, высокий износ, прозрачность для рентгеновских лучей и больше », — сказал Хартнер.«Помимо очевидной выгоды, которую это дает аэрокосмической, автомобильной и оборонной промышленности, легко увидеть, как эта новая технология может изменить медицинские детали, спортивные товары, освещение и различные потребительские товары».

Учитывая огромные размеры машины и плотные материалы для печати, я задумался о последующей обработке, необходимой для удаления таких больших деталей из лишних материалов. Хартнер объяснил, что это не так сложно, как можно было бы подумать: «Все 3D-процессы требуют некоторой постобработки, но одним из отличительных факторов нашей технологии является использование жидкости, препятствующей ламинированию, во время процесса сборки, которая по существу обеспечивает наклеить материал на желаемый край детали или изделия.Это сводит постобработку к простому высвобождению или отделению детали от зоны отходов. Это улучшение, позволяющее сэкономить время «.

Исследования

3D-печать углеродным волокном все еще находится на ранней стадии разработки. Однако, если Impossible Objects и EnvisionTEC являются каким-либо признаком, возможно, мы находимся на пороге захватывающей новой области технологии 3D-печати. В настоящее время существуют университетские и правительственные лаборатории, которые занимаются исследованиями, которые могут разработать новые методы усиления 3D-печатных объектов углеродным волокном.

Одной из лабораторий, которая сильно интересуется этой темой, является Окриджская национальная лаборатория Министерства энергетики США (ORNL), которая уже помогла разработать один новый метод 3D-печати из углеродного волокна, и, возможно, в будущем появятся новые. На самом деле лаборатория имеет объект площадью 42000 квадратных футов, предназначенный для производства углеродного волокна, в том числе технологическую линию длиной 390 футов, которая может производить до 25 тонн углеродного волокна в год.

В 2014 году ORNL заключила партнерское соглашение с производителем оборудования Cincinnati Inc.и краудсорсинг производителя автомобилей Local Motors для модернизации существующего оборудования в Цинциннати для 3D-печати. Результатом стала машина для аддитивного производства на больших площадях (BAAM). Имея объем сборки 7 футов x 13 футов x 3 фута (2,1 м x 4,0 м x 0,9 м), BAAM использует бункер для подачи гранул сырья в экструдер для 3D-печати с угрожающей скоростью 40 фунтов / час.

Технология оказалась идеальной для 3D-печати шасси автомобилей Local Motors, включая грядущий LM3D Swim, который станет первой серией готовых к дорогам автомобилей, напечатанных на 3D-принтере, и Olli, напечатанного на 3D-принтере автономного транспортного средства общественного транспорта.Изготовленный всего на 5 процентов из углеродного волокна и на 95 процентов из АБС-пластика, первый напечатанный на 3D-принтере автомобиль компании Strati имел очень мало углеродного волокна. Позже ORNL напечатал на 3D-принтере Shelby Cobra, состоящий на 20 процентов из углеродного волокна с такой тонкой отделкой, что невозможно сказать, что автомобиль был напечатан на 3D-принтере.

Однако, учитывая исследования, проводимые в настоящее время ORNL, лаборатория может увеличить количество армированного углеродным волокном, подходящего для 3D-печати. ORNL работает с техасским стартапом Cosine Additive над разработкой системы аддитивного производства средней площади, которая будет похожа на уменьшенную версию BAAM.Лаборатория также будет работать с инструментом «Невозможные объекты для 3D-печати» для изготовления деталей из углеродного волокна.

3D-печать с использованием графена

3D-печать из углеродного волокна может быть реализована в более короткие сроки, но некоторые уже ищут чудесного кузена из углеродного волокна, графена. Имея толщину в один атом углерода, графен примерно в 100 раз прочнее стали, невероятно легкий и электрически и теплопроводный.

Прямо сейчас любой может печатать на 3D-принтере с нитью графен-PLA от Graphene 3D Lab; Тем не менее, несколько исследований продемонстрировали способность 3D-печати более чистых версий материала, в том числе ученых из Имперского колледжа Лондона и Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL).

Сложность 3D-печати с графеном заключается в невозможности нанести этот гидрофобный чудо-материал из печатающей головки. В то время как команда Имперского колледжа Лондона фактически выполняет 3D-печать с оксидом графена в сочетании с чувствительным полимером, чтобы выдавить материал в виде пасты, LLNL напечатала 3D-оксид графена в силикагеле.

Поскольку эта технология коммерциализируется, ее можно использовать для создания высокопроводящих электронных компонентов, а также защитных покрытий для самолетов, среди других приложений.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

*

*