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Bordado impresión 3D piezas fibra de carbono con volumen & aplicación de resistencias térmicas sobre textiles

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Bordado impresión 3D piezas fibra de carbono con volumen & aplicación de resistencias térmicas sobre textiles

Bordado impresión 3D piezas fibra de carbono con volumen & aplicación de resistencias térmicas sobre textilez

En la búsqueda de la fabricación con compuestos avanzados y menos costosos como más procesos automatizados de moldeo líquidos , están encontrando muchas ventajas . Entre estos composites investigadoos el automoción, por ejemplo, al menos un grupo afirma haber desarrollado un proceso de moldeo por transferencia de resina (RTM) que tiene un ciclo de moldeo de 60-segundo x ciclo . No menos importante, sin embargo, es la necesidad de un proceso igualmente rápido para la fabricación de la preforma seca. Para complicar la búsqueda es el hecho de que aquellos que hacen preformas ya no pueden confiar en los laminados cuasi-isotrópicos con refuerzos locales para que puedan competir con la última tecnología de los metales. De hecho, los avances en el diseño asistido por ordenador (CAD) han permitido a los diseños estructurales compuestos ofrecer ahorros de más del 50 por ciento en peso vs. metales ligeros, así como un aumento de tres veces en la resistencia y rigidez específica. La cuestión es cómo es de asequible, fiable y rápido de fabricar las formas complejas resultantes que dependen para su desempeño en la pieza acabada sobre las cantidades mínimas de fibras orientadas . Precisamente la Colocación de fibra cortada (PTF) es un proceso de preformado cosido único que podía ofrecer la respuesta.

Máquina de bordar con fibra de carbono para impresion de piezas con volumen

FIG Colocación de fibra cortada PTF con maquina de bordar , puede construir rápidamente formas complejas , fibra optimizada que maximizan la mejora de peso. Aquí, un sistema PTF establece 50K de carrete a la misma velocidad que puede sentar 3K de carrete , sin las dificultades de procesamiento que el arrastre pesado a menudo provoca en tejer o procesos tradicionales de tejido.  

Estructuras optimizadas asequibles:

Muchos han seguido el desarrollo de la PTF (ver Tabla 1), pero fue inventado en el Instituto Leibniz de Investigación de Polímeros (IPF, Dresde, Alemania) en 1992. TFP comienza con un sustrato, típicamente un velo o tejido, o, para un compuesto termoplástico , un material de lámina compatible-matriz. Los cabos o las mechas continuas se colocan con precisión y se cosen al sustrato. El proceso es automático, permitiendo una alta productividad y repetibilidad. Al principio, la costura se realiza con máquinas de bordar industriales, pero TFP ahora utiliza máquinas de bordar construidas espresamente para colocar los cabos o las mechas continuas en cualquier dirección mediante la rotación de una unidad de costura estacionaria y utilizando el control numérico por computadora (CNC) para mover el sustrato (ver Figura 1).

máquina de imprimir en 3d con fibra de carbono

Vea nuestras máquinas para producir piezas bordadas

Aunque una variedad de técnicas de tejido contorneadas y 3-D se desarrollaron en el mismo período de tiempo y, al igual que la PTF, utilizan el espesor de refuerzo y costura , para superar intercapas de laminación y permitiendo personaliar el grosor de la preforma, forma y orientación de las fibras .

El metodo PTF llego desde una motivación diferente: Sus inventores querían imitar estructuras ligeras en la naturaleza (por ejemplo, árboles, hierbas y huesos) cuyas geometrías están adaptados de forma óptima a las cargas específicas. Biomimética llamados, es una tendencia creciente en el diseño estructural de aeronaves. Su objetivo es lograr la mejor rigidez-masa específica posible y la fuerza mediante la orientación de las fibras en las direcciones principales de estrés. En el diseño estructural computarizado, la optimización topológica fue desarrollada para lograr este resultado. Cuando un diseño de la pieza inicial y sus casos de carga son entrados, el software de optimización de la topología genera de salida una forma y optimiza la colocación de material para producir la distribución de tensiones homogeneamente (es decir, una estructura en la que no hay concentraciones de tensión) con la menor cantidad de material.

Para materiales compuestos, ha sido difícil la fabricación de estructuras de topología optimizados rentables debido a que son típicamente geometrías 3-D con orientaciones de las fibras no convencionales. Las máquinas de la PTF, sin embargo, pueden fabricar refuerzos multiaxiales de muchas capas, con muchos espesores, con arquitecturas precisos y complejos de fibra. Lo hacen porque pueden colocar fibra seca en casi cualquier orientación y pueden crear una amplia gama de estructuras de compuestos que no son factibles con laminados unidireccionales y mutiaxial estándar. Para distinguir esta capacidad más compleja, los defensores de la PTF gusta llamarlo impresión fibra. Las preformas de fibra secas resultantes pueden ser procesados ​​usando RTM o vacío bolsa de infusión de resina. Moldeadores también pueden usar estopa impregnada flexible de termoplástico o remolque mezclados y filamentos termoplásticos (este último en estado fundido y convertido en la matriz). Estas preformas termoplásticas se pueden procesar en piezas acabadas a través de moldeo por compresión, o se pueden usar como inserciones en moldeo por inyección.

tamburete impreso con maquina de bordar fibra e carbono

FIG : Instituto Leibniz de Investigación de Polímeros (IPF, Dresde, Alemania), los inventores de la PTF, produjo la preforma para este taburete usando este proceso. El taburete pesa alrededor de 650 g (aproximadamente 300 g de fibras de carbono). La capacidad de soporte de peso ha sido probado hasta 150 kg. Fuente: IPF

2-D a 3-D, libre de arrugas

Los patrones de la PTF se imprimen completamente, pero están diseñados para ser fácilmente formado en 3-D preformas de forma limpia. Una forma de lograr esto es utilizar costura selectiva, es decir, poner la fibra a lo largo de una longitud específica y sin costura. Esto resulta en áreas de la preforma donde la fibra no está restringida por la costura y, por lo tanto, es libre de moverse en cualquier dirección para facilitar la conformación de la preforma final de 3-D sin arrugas o distorsiones en la alineación de la fibra.

Un ejemplo notable de la eficacia de esta técnica es el marco de Omega, un marco de fuselaje tipo curvo con una sección transversal en forma de la letra griega Ω, desarrollado por Hightex Verstärkungsstrukturen (Klipphausen, Alemania) con la (Toulouse, Francia) la operación de Airbus en Hamburgo, Alemania. Dr. Dick Feltin, director gerente de Hightex, dice, "costura selectiva combinado con un patrón inusual de fibra PTF hecho cada preforma 2-D estirable y fácilmente moldeable en su T-estructura en forma de 3-D final."

FIG : 

herramientas CAD desarrolladas recientemente permiten diseños optimizados, como este para una parte servofreno bicicleta, que ofrecen la reducción de peso dramático y aumentos en la fuerza y ​​la rigidez específica en comparación con otros compuestos y metales ligeros. Fuente: Instituto de IFB Diseño de Aviones (Stuttgart, Alemania)

Actualmente en producción esta los marcos de las ventas del AIRBUS A350 XWB compuestos de carbono de Airbus en Hamburgo, también desarrolladas con Hightex. Cuentan con dos costuras selectiva y costura estructural (hacia arriba y hacia abajo puntadas) y un revestimiento de fibra de vidrio en el interior para evitar la corrosión galvánica con interfaces de aluminio (ver Fig. 2. Las preformas planas PTF se forman entonces en un óvalo sin arrugas con una sección transversal en forma de L. costuras selectiva permiten fibras para remodelar fácilmente y aún mantienen la alineación recta. La asistencia de costura estructurales en la manipulación de cargas alrededor de la circunferencia del marco de la ventana , añade Feltin , que con TFP, susceptibilidad de drapeado puede ser aumentada mediante el diseño de líneas de cosido y sabiamente , señala, "Usted puede evitar aberturas en las intersecciones de las fibras, que son comunes en el tejido tradicional y refuerzos de punto."

MARCO DE AVION IMPRESO CON MAQUINA DE BORDAR

FIG : Las preformas marco de la ventana de un A350 utiliza costura estructural vertical y costura selectiva para lograr un óvalo-L en sección transversal sin arrugas y un revestimiento de fibra de vidrio para evitar la corrosión galvánica en contacto con el metal. Fuente (todas las fotos): Hightex

Forma neta de la preforma de la PTF también elimina el desperdicio de materiales comunes a otros procesos de preformación, pero Tommy Fristedt, presidente de Tecnologías LayStitch (Highland, Mich.), La filial estadounidense de hace mucho tiempo FilaCon desarrollo PTF y comercialización de la empresa (Winterlingen, Alemania), señala que hay más: "Con hacer punto y tejer, se desperdicia una gran cantidad de material en la estructura final debido a las limitaciones de la maquinaria textil en cuanto a qué dirección se puede orientar las fibras", explica. "TFP no tiene estas limitaciones y, por lo tanto, se puede colocar la fibra sólo donde tiene que estar". Añade que la compra de fibra de carbono tejido para otros procesos de preformado puede costar tres a cinco veces más por libra que el remolque no convertida utilizado en PTF. "Combine esto con el 30 y el 50 por ciento de los residuos comunes a la mayoría de los procesos de compuestos a base de textiles y hay una gran cantidad de dinero que se guarda en la producción de estructuras de CFRP."

Automatizar el proceso de diseño

La capacidad de la PTF para proporcionar una solución fue reconocido de inmediato, pero el proceso de diseño era sofisticado y complejo, por lo que las aplicaciones eran limitadas. "En el pasado", dice Fristedt, "máquinas de la PTF eran bastante lento y el diseño era muy manual y consume mucho tiempo, pero ahora se ha desarrollado el software que permite al usuario convertir un archivo CAD en un patrón de costura optimizada para fabricación."

Fristedt acredita IPF con las estrategias para optimizar la orientación de las fibras y para el desarrollo de mejores herramientas de diseño, incluyendo Optimización Avanzada para la tensión principal (POA). Originalmente basado en el software de elementos finitos ANSYS (FE) (suministrado por ANSYS Inc., Canonsburg, Pa.), AOPS ahora cuenta con otros solucionadores de FE y capacidades internas de optimización de materiales, así como la capacidad de extrusión de elementos finitos tradicionalmente 2-D en el modelo informático de espesor y mantener la orientación de las fibras local.

"Necesitábamos un método para generar modelos de computadora donde podíamos adaptar espesor y fibra de orientación por elemento", explica el investigador del GIB y AOPS codesarrollador Axel Spickenheuer. AOPS, ahora es posible, dice, para el cálculo de estas orientaciones de las fibras extremadamente complejos. Fig. 3 muestra la reducción dramática del peso y aumentar la rigidez específica posible para un componente reforzador de freno de bicicleta de montaña cuando un diseño de preforma optimizado-TFP AOPS se utiliza en lugar de uno que cuenta con aluminio o materiales compuestos cuasi-isotrópicos. Las múltiples capas y patrones de costura fácilmente alcanzados utilizados se pueden ver en la figura

Diseños optimizados-TFP también muestran un aumento de las cargas de falla en las pruebas de tracción hoyos abiertos. Notas Spickenheuer, "En las pruebas, la parte de la PTF no fallan en el agujero como sería de esperar, sino que falla como una parte que no tiene ningún agujero. En otras palabras, la orientación de la PTF ... en realidad aumenta las cargas de falla agujero abierto hasta el 50 por ciento ".

La consistencia, repetibilidad, la adaptabilidad

Software de diseño avanzado de la PTF y funciones automatizadas aseguran una alta precisión y repetibilidad en la cantidad y orientación de fibra de deposición. El beneficio de esto se ilustra en largueros desarrollados por Hightex y Eurocopter (Donauwörth, Alemania) para NHIndustries '(Aix-en-Provence, Francia) NH-90 helicóptero. Estas estructuras en forma de viga en I se construyeron mediante la combinación de múltiples preformas PTF para formar el soporte de carga longitudinal en el vehículo, la distribución de ascensor desde el rotor al resto de la estructura, y que también apoya el motor montado en la parte superior central. Fabricado con fibra de carbono grado aeroespacial, las preformas PTF exhiben variación de muy baja masa. Como resultado, los valores de carga de rotura se mantienen dentro de un margen del 1 por ciento. Feltin señala: "La única manera de hacer esto es si usted tiene una orientación de las fibras muy consistente dentro de la parte".

TFP también permite a los ingenieros para incorporar una capa auto-calentado resistiva, que es una ayuda , obvio : para “curar ” o secar , en utillaje , el material compuesto, se puede garantizar a través de aplicar el calor en la parte adecuada. Por ejemplo, un brazo robótico fue desarrollado por Hightex utilizando un diseño biomimético muy ligero que emula un exoesqueleto de insecto. Las múltiples preformas PTF planas que se ensamblaron en la preforma 3-D para una unión brazo incluyen un elemento integrado en la calefacción de fibra de carbono (Fig. 5). Durante el proceso de RTM, la corriente eléctrica se pasa a través del elemento para acelerar y mejorar la curación secado de la matriz epoxi. IPF completó recientemente un proyecto con Airbus en estructuras de materiales compuestos con capacidad de calefacción integrada para aplicaciones de deshielo y antihielo. Este trabajo ha pasado a IPF spinoff QPoint Composite (Dresde, Alemania), cuyos otros clientes incluyen FACC (Ried im Innkreis, Austria), Audi (Ingolstadt, Alemania), Daimler (Stuttgart, Alemania), Lamborghini (Sant'Agata Bolognese, Italia) y Premium AEROTEC (Augsburg, Alemania).

                                BRAZO ROBOTICO IMPRESO CON MAQUINA DE BORDAR                        

Limitaciones y aplicaciones

Fristedt explica que la PTF se desempeña mejor en una escala más pequeña - el tamaño del marco o área para cada cabezal de costura yacía puede ser de hasta 2 m por 1,75 m (6,56 pies por 5,74 pies). Aunque las máquinas son rutinariamente hacen con múltiples cabezales de legos, preformación una turbina de viento del panel cuchilla o aviones de fuselaje entero con una sola máquina no sería práctico. Y para sacar el máximo provecho de la PTF, Spickenheuer aconseja que las partes no deberían tener demasiados casos de carga: "Por ejemplo, grandes secciones de fuselaje tienen una gran variedad de cargas y condiciones de carga. PTF se desempeña bien en piezas que tienen un conjunto más reducido de cargas específicas ".

"El mayor problema de la PTF es el hilo de coser", añade Spickenheuer. "Utilizamos hilo muy delgado - sólo del 2 al 3 por ciento en peso de toda la preforma - pero aún así, crea micro-agujeros, que crean concentraciones de resina cuando se impregna la preforma." Esto puede ser un problema, especialmente en las estructuras que se someten a carga cíclica, debido a que puede introducir microfisuración. Pero Spickenheuer señala: "Este es también un problema para las telas noncrimp y tejidas." Sin embargo, la PTF ha demostrado ser la mejor tecnología para estructuras como los marcos de las ventanas A350, dice. "Estos hacen sufrir cargas cíclicas, pero con un diseño cuidadoso, las concentraciones de resina se han reducido al mínimo, y la tecnología ha funcionado bien."

Si la aplicación ideal TFP no es una sección del fuselaje grande, entonces ¿qué es? En la industria aeroespacial, los objetivos incluyen palancas para aeronaves estabilizadores verticales y dispositivos del tren de aterrizaje del avión. Puntos Spickenheuer también a la "maquinaria, tales como brazos robóticos y palancas que se mueven rápidamente y con frecuencia de rápido movimiento." Cuanto menos preforma de fibra intensiva reduce la masa y mejora la velocidad del brazo, y menos peso permite el uso de engranajes y motores más pequeños. "También aumenta la carga de rotura del brazo," notas Spickenheuer.

El último proyecto para el equipo de Spickenheuer ilustra otra aplicación: una sola pieza, de fibra de carbono composite rotor de la bomba de vacío con 17 cuchillas integradas en el disco. El uso de una preforma de TFP con una combinación optimizada de orientaciones de las fibras radiales y tangenciales (Fig. 6) consigue una velocidad de ráfaga 35 por ciento más alto que se puede obtener con diseños comunes de aluminio de alta resistencia. La parte infusión de resina asistida por vacío alcanza una velocidad de funcionamiento significativamente más alta debido a la masa reducida. Composites ofrecen una de las pocas vías para obtener tales mejoras, debido a la limitada resistencia a la tracción a base de masa de aleaciones metálicas ligeras. Spickenheuer cree aún mayor mejora es posible mediante el empleo de una mayor optimización de la PTF y ve amplias aplicaciones en rotores impulsor de alta velocidad, motores de avión y otros aficionados del compresor.

Velocidades Automotrices?

Fristedt Mas allá de lo aeroespacial tenemos potenciales aplicaciones de automoción - piezas de suspensión, soportes, conos de choque, piezas de chasis, pilares, cerradura de la puerta bisagras, marcos de asiento, piezas del tablero de instrumentos, pegatinas de marcos y similares - pero admite que los diseños de la PTF y enfoques de producción utilizan ahora en el sector aeroespacial sería inapropiado para la automoción.

Sin duda, la PTF ya es bastante sofisticado. Según Stefan Carosella, jefe del Grupo de Materiales Compuestos para el Instituto de Diseño de Aviones (IFB) de la Universidad de Stuttgart, los fabricantes de máquinas han mejorado la automatización de la PTF y la productividad mediante el desarrollo de transporte automatizado de material de base, el cambio automatizado del bastidor que permite una producción continua y un dispositivo de alimentación sin fin que permite el uso de carretes de mecha estándar (alrededor de 8 kg de roving vs. pequeños carretes a tan solo 90 g cada uno).

VENTILADOR DE VACIO CON FIBRA DE CARBONO

LayStitch afirma diseño de preforma de la PTF y el ajuste es más fácil y más rápido con su nuevo software de diseño automatizado. Después de que se hizo el diseño que se puede imprimir al instante en la máquina de colocación. Spickenheuer dice IPF ha mejorado la PTF a través de su software de AOPS para el diseño de preforma y el software de control de la máquina EDOpath, pero admite, "Todavía hay mucho trabajo por hacer para que la PTF más competitivos con las tasas de producción de máquinas de tejer y tejer."

En pocas palabras, la velocidad de la máquina es aún limitada. FilaCon cita una sola cabeza PTF velocidad de la máquina como máximo de 10 m / min (30 pies / min). Carosella afirma que es posible una masa de hasta 1 kg / hr (2,2 lb / hr) con una máquina de una sola cabeza. Pero señala que la tasa de deposición de fibra real es un producto de la velocidad de la máquina, largo de puntada y el tamaño de remolque. Se dice que una velocidad típica de deposición es entre 2m / min y 5 m / min (6,6 pies / min y 16,4 ft / min) y que los promedios de longitud de puntada entre 3 mm y 5 mm (0,12 pulgadas y 0,2 pulgadas), aumentando con UD y recta la deposición de fibras y disminuyendo con geometría compleja. Fristedt señala que "Las preformas diseñados para tomar ventaja de remolques pesados ​​y patrones de costura optimizadas para la velocidad producirán los tiempos de ciclo más rápidos."

Carosella señala que una cabeza de la PTF puede llegar al 1 kg / hr tasa solamente usando 50K de remolque. ". Si utiliza 12K remolque, la velocidad de salida es de sólo 0,3 kg / hr" Fristedt añade que la PTF tiene capacidad de remolque pesado - un tamaño de fibra probable en aplicaciones de auto - sin las dificultades de procesamiento de las fibras más pesadas a menudo causan en tejido de punto o tejido tradicional. "Un remolque 50K está puesta a la misma velocidad que una estopa de 3K, incluso en los patrones bastante complicados", explica, "por lo que el uso de remolques pesados ​​alcanza un peso total y el volumen de fibra mucho más rápidamente. Y seguimos para desarrollar nuevas boquillas laicos para remolques pesados ​​para mejorar la complejidad y acelera posible ".

"TFP, sin embargo, es fácilmente adaptable a la automoción", dice Fristedt, señalando que son posibles volúmenes de producción anuales altos de preformas utilizando múltiples cabezas. "Una máquina de la PTF puede tener de 1 a 30 cabezas de impresora", se afirma. "En el tiempo que se necesita para hacer una preforma, una máquina 30-cabeza puede hacer 30 preformas. Por lo tanto, la producción es muy escalable ", añade Fristedt que, de múltiples cabezal de la máquina de la PTF grande podría ser instalado por menos de $ 300.000 -. Menos de una herramienta típica chapa del automóvil formando - dependiendo del tamaño de preforma y complejidad, 50.000 a 2 millones de piezas por máquina por año es posible.

Futuro de colocación de fibras

Todos los que trabajan con él de acuerdo en que hay una conciencia cada vez mayor de la PTF en la industria de los composites. "Sobre todo en los EE.UU., las empresas reconocen las ventajas que ofrece," dice Fristedt, en particular con los termoplásticos. De hecho, la última máquina de Estados Unidos fue a la nueva Atlanta, Texas, sede del proveedor preimpregnado Fibrtec.

"TFP ofrece beneficios con termoplásticos por encima y más allá de lo que se logra con termoestables," dice el CEO Fibrtec Bob Davies. "Nuestra FIBRFLEX patentado es único en que es flexible, y por lo tanto muy susceptibles al proceso de la PTF. La resina ya está ahí, que rodea las fibras, así que una vez que lleguemos al punto de fusión, podemos empujar la preforma en las extremidades del molde y lograr una pieza en forma muy compleja rápidamente con excelente distribución de resina a fibra ".

Davies observa que una preforma de TFP termoplástico puede ser utilizado como un inserto en un molde de inyección: "El fabricante de piezas puede utilizar un remolque FIBRFLEX recubierto con Nylon 6,6 - una matriz común usado en la industria automotriz - y luego inyectar Nylon 6,6 overtop de . que preforma "Esto permite la producción de piezas estructurales reforzados con fibras con forma de intrincado costillas, jefes o conectores en múltiples superficies - algo muy difícil de lograr de manera rentable con otros compuestos. El resultado es una matriz homogénea en todo, sin líneas de unión.

Fibrtec está llevando a cabo a gran y pequeño volumen aplicaciones de automoción y aeroespacial estructurales y ve comercialización posible en tan sólo seis meses. LayStitch Technologies está trabajando con Fibrtec en un estudio que compare las mejoras posibles costos, el peso y las estructuras de propiedad en el uso de una preforma PTF termoplástico vs. alternativas de metales y compuestos termoestables, similar al servofreno bicicleta GIB / Hightex.

IPF ha completado el trabajo en el proyecto highSTICK financiado por el gobierno alemán, con otras 26 empresas, orientadas a la obtención de liderazgo técnico en materiales de alto rendimiento integrados basados ​​en la avanzada de fabricación textil, especialmente para los pequeños lotes y piezas personalizadas. Ahora está en una fase de seguimiento. Áreas de desarrollo incluyen sensores de tensión bordadas y sistemas de iluminación, "prepreg funcionalizado", "bordado alambre," estructuras híbridas en 3-D para materiales compuestos termoplásticos y, máquinas de bordado modulares más flexibles.

PTF, Fristedt resume, se "permite a sus clientes a imaginar una solución innovadora, diseñarlo y luego económicamente producen."

NOTA Articulo extraido del Articulo online de la web :  www.mmsonline.com 

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