Ekstruzija kompozitnih vlakana – CFC

IZRADA SNAŽNIH I LAGANIH DIJELOVA INDUSTRIJSKE KVALITETE!

CFC (engl. Composite Fiber Coextrusion) tehnologija je jedinstven pristup aditivnoj tehnologiji koja usklađuje jednostavnost FDM tehnologije za izradu 3D modela i čvrstoću izradaka koju se postiže korištenjem kompozitnih materijala. Naziv koji se često koristi za ovu vrstu izrade dijelova je Anisoprint, odnosno Anizoispis. Anizoispis svoje ime zahvaljuje anizotropnosti izradaka kao krajnji rezultat procesa izrade.

Shema CFC tehnologija

BUDUĆNOST ADITIVNIH TEHNOLOGIJA…

Kompozitni materijali imaju heterogenu unutarnju strukturu, odnosno vidljiva je razlika između dijelova. Iz tog razloga imaju vrlo raširenu primjenu u aeronautici, automoto inženjerstvu i niskogradnji. Glavna karakteristika takvih materijala je prisutnost dvije faze: matrice i veziva (ojačanja). Ojačanje pruža otpor raznim opterećenjima (dinamičkim ili statičkim) dok matrica drži cijeli kompozitni izradak u jednom komadu. U strukturnim kompozitima koriste se staklena, ugljična ili organska vlakna za ojačanje, a takva struktura omogućuje značajno višu čvrstoću i krutost naspram bilo kojeg metalnog elementa.

Matrice se najčešće izrađuju od polimera, iako postoje inačice s metalnim, keramičkim ili nekim drugim vrstom veziva. Glavna značajka takvih kompozita s vlaknima su anizotropna svojstva, tj. reakcije na vanjska opterećenja uvelike ovise o smjeru opterećenja. Naime, čvrstoća CFRP (engl. Carbon fiber reinforced polymer) varira između dva opća smjera nanošenja sile, uzdužno uz vlakna ili transverzalno na vlakna. Ova značajka se uobičajeno smatra jednom od glavnih nedostataka, a ujedno i faktor zbog kojeg se ograničava korištenje takvih spojeva u većini industrija.

U takvoj situaciji rješenje pronalazimo u prirodi. Naime, drvena vlakna ne pucaju na mjestu gdje počinje rasti nova grana već se nježno omotaju oko tog mjesta, a lokalno se komprimiraju i otvrdnjuju. Vlakna u listu stvaraju kompleksnu razgranatu strukturu podupirućih rebra umjesto strukture koja ide od ruba do ruba i lomi se na krajevima. Unutarnje sile (i naprezanja) koje se pojavljuju prilikom vanjskih opterećenja su tenzorske prirode, tj., u svakoj točki distribucija naprezanja ovisna je o tri prostorne dimenzije. Reakcija materijala u svakoj točki stoga nije uniformna, a to znači da materijal mora biti heterogen kako bi optimalno odradio takvu reakciju.

Klasični izotropni materijal mora mora podnijeti maksimalna naprezanja u danom trenutku u određenom smjeru. U tom slučaju, naprezanja u drugim smjerovima mogu biti puno manja, ali kod izotropnih materijala je čvrstoća jednaka u svim smjerovima, što znači da je u nekima redundantna. Anizotropni materijal trebao bi dozvoliti da se svojstva optimiziraju odnosno da se postiže minimalno potrebna svojstva u ostalim smjerovima. Najjednostavniji primjer je šipka, ona je dizajnirana za reakciju na naprezanja uzduž dužinske osi. U tom slučaju, sva vlakna moraju biti paralelna prema toj osi, dok transverzalna svojstva nisu relevantna. Takva šipka je najefektivniji kompozitni izradak. Prema ovim promatranjima, najefektivniji kompozitni dizajn je struktura koja se sastoji od setova šipki međusobno povezanih na takav način da svaka šipka prima naprezanja samo uzduž svoje osi. Takva struktura se naziva rešetkasta struktura. Iz ovih razloga ne iznenađuje da večina topološki optimiziranih struktura su rešetkaste strukture. Treba napomenuti da se takvi elementi koriste u raketnoj i aeronautčkoj industriji, međutim proizvodnja posebnih dijelova dolazi do određenih ograničenja standardnim putem.

Primjer različitih varijanti

… JE U ANIZOTROPNIM KOMPOZITIMA

Na takvu situaciju nastupa tvrtka Anisoprint® sa svojim kreativnim rješenjem. Prethodno se aditivna tehnologija temeljila na sustavu sloj-po-sloj (engl. Layer-by-layer), dok sada za izrazitu funkcionalnost izradaka to više ne može biti rješenje. Kao što je prethodno objašnjeno, izrazitu važnost ima smjer nanošenja potpornih i funkcionalnih vlakana. U praksi, kako bi se postigao takav način izrade, oprema se temelji na istovremenom istiskivanju polimernih vlakana ili automatiziranom postavljanju vlakana. Glava takvog stroja sastoji se od mlaznica za istiskivanje kroz koje se istiskuju funkcionalna ili potporna vlakna i polimerna smola (engl. Resin), a montirana je na više-osni manipulator koji se namješta u prostoru prema 3D modelu koji se izrađuje.

Sam izradak se može postaviti na robota ili na podlogu. Cijeli proces se odvija u zatvorenoj, termo-reguliranoj komori kako bi se osigurala adhezija između skupova vlakana i kako bi se uklonila pojava toplinskih dilatacija. Volumni udio vlakana može se lokalno mijenjati korištenjem zasebnog ulaza za potporna vlakna i smolu, a istovremeno manipulator osigurava polaganje materijala prema složenim, krivolinijskim, prostornim putanjama. Time je osigurana kontrola stupnja anizotropnosti u svakom dijelu, a osiguravajući izradu optimalnih izradaka složenih oblika i unutarnjih struktura. Dodatnim uređajima za pozicioniranje moguće je direktno ugrađivati elektroničke i druge funkcionalne komponente u izradak.

Budućnost aditivnih tehnologija zaista se nalazi u kompozitima s kontrolom anizotropnosti, oblika i optimiziranim dizajnom unutarnjih struktura. Kako bi se zadržala prednost, potrebno je koristiti aditivne tehnologije na novoj razini – kompozitnoj razini putem CFC tehnologije!