碳纖維FDM3D列印打造無人機

 

近來3D列印成型技術大躍進，可應用的材料廣泛，由實威國際代理工業級3D列印品牌Markforged 最具代表性的碳纖維材料，因其韌性和彈性的最佳平衡，成為無人機應用中完美的材料，能夠保護螺旋槳而不干擾其功能。

 

3D列印沒有外型的製造限制， 對於產品設計者而言是一大福音，獲得多方領域產業廣用，尤其在航太工業應用上，可降低產品開發成本與時間，對打造複雜的航太零件、或開發小型飛行器，提供了莫大的助力。

 

實威國際提供最完整的3D解決方案，更結合3D掃描可快速複製舊有零件為數位模型並加以修改，將原有數星期的開發時間縮短到數天，加速開發過程。

 

 

使用碳纖維的理由

 

儘管碳纖維3D列印已經存在了十年之久，但在最近幾年中它迅速崛起。 如今，許多現有的3D印表機製造商都在爭先恐後地利用“碳纖維3D列印”一詞，但並非所有碳纖維3D列印是其所稱。

 

我們將在其中定義不同的類型，研究挑戰，益處，實施注意事項等。 在碳纖維3D列印領域，將深入研究Markforged的碳纖維增強（CFR）的優勢。

 

碳纖維基礎

 

什麼是碳纖維？

 

碳纖維由碳原子組成，這些碳原子組織成直徑5-10微米長而細的晶體結構。

 

這些纖維可以單獨使用，也可以在成束的纖維束中使用。在現代製造業中，碳纖維幾乎總是與其他材料結合形成複合材料。當與熱塑性或熱固性樹脂基底連接時，碳纖維束可以採用多種形式用於工程應用。

 

最常見的是，將它們纏繞在心軸上以形成管子，將其放進模具以進行拉擠或熱壓成型，或者將它們編織成膠帶和織物。

這種組合可創建強大的自定義幾何形狀，從而可以用於航空，汽車，軍事和其他行業。

 

碳纖維增強機械性能以及耐熱和耐化學性的結合，使其成為高級製品的理想選擇。

碳纖維具有很高的剛性和拉伸強度，而相對密度卻遠低於鋼和鋁。由於其極高的強度重量比，碳纖維被廣泛用於航空和汽車工業。

 

 

1.短纖線材

 

使用短纖維填入塑料中，例如玻璃纖維和碳纖維(在塑膠射出行業中已經使用了數十年，以改善熱塑性塑料的材料性能)。

 

為了製造短纖塑料線材，製造商將聚合物原料與填充材料混合，將它們製成顆粒料。這些顆粒料透過加熱進一步融合，之後將其擠出、拉伸成長線材，然後將長線材捲成綑，讓3D列印機可以使用。

 

最常見的應用是使用尼龍或ABS作為基礎材料，再添加短碳纖維。

重要的是要注意，並不是所有的填充劑都是纖維，用於增強機械性能，實際上，有些是用於改善流動性，美觀的外觀，甚至降低成本。

 

 Markforged發現短碳纖維含量合適時，短碳纖填充線材可有無與倫比的表面平整度。短碳纖填充線材通常由重量分佈均勻的5％至35％的碳纖維粉組成。

 

這些纖維粉屬於短纖，是從纖維束中磨碎或切碎而來，尺寸範圍從直徑5-10微米到長度50-250微米。在使用短碳纖填充線材列印時，材料擠出過程的流動性一致，使材料在印刷方向上整齊且平均。 這意味著抗拉強度和抗彎強度的提高。 

 

短碳纖有什們好處? 

 

 1.+邊緣增加強度/剛性這直接轉化為更強更硬的零件，熱穩定性提高

 

 2.碳纖維具有熱膨脹係數低的特性 : 可以幫助減少在印刷過程中翹曲。此外也有助於列印部分在熱環境中抵抗變形

 

 3.更大的列印零件精度 : 在機械和熱穩定的特性，將增加碳纖維填充部件，比其未填充的對應物更佳的尺寸精度

 

有哪些挑戰性?

 

短碳纖填充線材具有明顯的優勢，您可能想知道:為什麼所有的商用線材都沒有填充盡可能多的碳纖維?

 

原因是碳纖維對材料生產過程和列印過程都有許多挑戰，其中包括：

 

--如果硬質填充材料的體積增加到一定以上，則會對線材均勻性產生負面影響，這可能會導致不良的表面平整度和列印過程中的品質瑕疵。

 

--填充碳纖維的線材具有磨蝕性，並且會迅速磨損專為通用未填充碳纖維FFF線材設計的列印機擠出組件。可以通過加強組件和例行維護來減輕這種情況，但會增加設備成本。

 

--碳纖維含量過多也會阻塞噴嘴，增加噴嘴堵塞的風險，導致機器無法使用，直到執行維護或更換。許多線材製造商選擇忽略這些缺點，並在線材中添加盡可能多的短碳纖維。所得到的部件犧牲表面光潔度和機器可靠性為代價，來獲得強度。 

 

Markforged的碳纖維增強材料（Carbon Fiber Reinforcement）使用能夠降低這些失敗因素的方式，設計出短碳纖填充線材--Onyx。

 

儘管大多數填充線材製造商都以可列印性來決定，優化其材料的強度，但我們對Onyx進行了尺寸精度，表面平整度和列印機穩定性的優化。由於CFR中使用的碳纖維的強度和剛性，在不犧牲最終零件強度的情況下平衡這些特點，這將在下面介紹。結果是提高了零件的精度，整體剛性和強度，更美觀的表面以及整體完整性。

 

2.連續性纖維

 

連續碳纖維是塗有熱塑性塑料的長碳纖維線材，然後使用CFR技術將這些纖維線材鋪設到熱塑性FFF部件中。

 

在此過程中，通過將材料加熱的噴嘴擠出，將熱塑性塗層熱熔合到零件上。可以在3D列印零件的每一層中，以各種2D方向放置連續碳纖維線材。

 

用連續碳纖維增強的零件強度，可與一般複合鋪層製造的零件相媲美。在短碳纖填充線材中，短纖維之間的非連續性會使機械負荷通過基底聚合物傳遞，從而將相關的機械性能提。

 

在CFR零件中，拉伸和彎曲負荷會以最小的基質聚合物傳遞到長纖維線材上，讓整體機械性能再提高。零件可以採用多種不同的方式進行加固，以針對不同的負載條件進行變化。連續纖維增強技術不僅包括碳纖維，還包括玻璃纖維，Kevlar®和高強度高溫玻璃纖維。

 

可變的連續纖維排列

 

使用CFR，用戶可以通過兩種方式控制零件中的纖維量，通過更改一層中的纖維量並指定要加固的層數，該設定使工程師能夠讓3D列印零件，其強度完全滿足他們的需求。

 

 

連續碳纖有什們好處? 

 

與短纖填充線材纖維增量變化相反，連續纖維能夠實現零件性能跳躍式的改變，連續纖維的優點包括：

 

1.能夠達到與鋁合金(6061-T6)類似的強度，連續的碳纖維增強零件可以在應用中取代加工部件。

 

2.通過一系列特殊的連續纖維增強材料（包括Kevlar®纖維和玻璃纖維），可以提高剛度，抗衝擊性，耐熱性和耐久性。

 

3.連續纖維補強了Onyx。

 

例如Markforged在Onyx中使用短碳纖維來提高列印零件的精度和表面光潔度，而連續碳纖維則將其強度和剛度提高十倍。

 

使用連續纖維

 

與短纖填充線材不同，連續纖維是通過CFR過程實現的。

 

CFR允許用戶靈活地在其零件中填充連續纖維，這樣用戶可以更好地控制要放入零件中的碳纖維量。

 

儘管可以用連續纖維隨意填充零件，但最好的結果是根據裝載條件對纖維束進行策略佈置。

 

優化的零件是使用較少的連續纖維材料，即可提供相同的預期結果，這也減少了製造時間和成本。

 

可控制的設定是一項關鍵優勢

 

連續纖維有兩種主要考量方式：

 

1。確定是否在零件的每一層中放置連續纖維

 

2。確定每個增強層的增強方式

 

通常用於零件的連續纖維技術示例包括：

 

1.三明治結構

 

像傳統的複合鋪層零件一樣，在頂部和底部添加連續纖維。在大多數彎曲載荷條件下，零件表面的應力集中最高。三明治結構用於抵抗Z方向力量。

 

2.殼層

 

類似於三明治結構，但在每一層的壁內使用連續纖維的環。殼層加固將連續纖維放置在每層的外圍，以抵抗沿XY平面的載荷。

 

3.交錯路徑

 

連續纖維交錯路徑層，在零件的關鍵區域(層)增加了連續纖維“交錯路徑列印”此設定可用較多的三明治結構以分配載荷，降低平片翹曲。

 

 

 

 

NimbleTrack：尖端光學 3D 掃描系統，實現精確性和移動性

 

實威國際智慧製造代理3D掃描機品牌 Scantech 近日隆重推出全新一代工業級3D掃描機 NimbleTrack，此款突破性的無線 3D 掃描系統，將徹底改變測量和分析中小型零件的方式。

 

具有高度無線性和敏捷性，可能彈性地滿足不同的工業環境，成為工程師、設計師和製造商的強大工具。

 

 

NimbleTrack是世界首創的無線計量學級3D掃描解決方案，能夠提供高度精確的測量(精度高達0.020毫米)，不會受到限制行動自由的麻煩。

 

它先進的機上處理器和集成電池支援完全自主運作,隨時隨地都能擁有高效和簡化的體驗。

 

 

NimbleTrack不僅冠軍多功能性,還能提升中小型零組件的精確性,革新各行業的專業人士如何接近3D掃描。

從品質檢測到逆向工程,它提供了可靠的測量解決方案,不受其他掃描系統的限制。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

想了解更多：

歡迎報名【前瞻製造翼展鴻圖＿無人載具創新解決方案技術研討會】

 

 

 

前瞻製造翼展鴻圖 無人載具創新解決方案技術研討會
時間：2024.09.06   13:30-16:30
地點：嘉義亞洲無人機 AI 創新應用研發中心5102教室（嘉義縣朴子市學府路二段52之16號）
議程：
1.    AI無人機與蜂群技術之簡介與應用
2.    Markforged工業旗艦級3D列印機FX10新機登場
3.    3D列印SLS技術在無人載具的應用
4.    親身體驗NimbleTrack實機操作

 

Markforged 正在推動在需求點實現工業生產。在過去十年間，我們一直在建構一個能夠為工廠車間帶來真正價值的積層製造平台。

 

我們不僅製造了以堅固複合材料取代機械加工金屬進行列印的印表機，還讓嚴苛工廠應用所需零件的製造流程變得簡單、可靠且經濟實惠。基於這些成功經驗，我們推出FX10 列印機，引領下一代複合材料3D 列印技術的發展。這款印表機是一種多功能性令人驚嘆的工廠車間解決方案，專為列印堅固、精密的零件而設計。

 

閱讀本博文，了解FX10 印表機、我們開發FX10 流程中所要解決的挑戰，以及該列印的高級功能如何為各種規模的製造商創造價值。

FX10 是什麼？FX10 是我們的新一代工業級複合材料3D 列印機，是繼我們廣受歡迎的X7 工業系列印表機之後推出的尺寸更大、更快的產品，已經為全球數千家工廠帶來了堅固的零件以及可觀的投資報酬率(ROI)。FX10 尺寸大、速度快、自動化程度高。本產品採用模組化第五代複合材料系統，列印流程比以往更準確可靠。推出FX10 後，我們也將繼續銷售X7。

主要特點：

列印平台尺寸大，有加熱室和列印底板

• 連續纖維增強(CFR) 製程已獲得專利，可採用複合材料列印出強度足以取代機械加工金屬零件的零件
• 精確、高速列印（速度約為X7 的兩倍）
• 配備雷射測微計，可在列印時掃描零件，實現品質保證和機器校準
• 視覺模組（即將推出）將確定和優化印表機性能，同時提供有關機器運行狀況的見解
• 使用者友好的列印體驗，將簡單的介面與用於連續列印的捲筒切換和機器校準等自動化功能集於一身
• 模組化列印系統，系統組件易於更換，未來可支援更多列印模式並與更多材質
• 我們為什麼要開發FX10？我們開發FX10 是為了以更快的速度、更低的成本和更高的可靠性解決生產車間的各種問題。 FX10 可以讓工廠車間列印關鍵零件的過程盡可能順暢和輕鬆。
• 工廠車間是一個不斷快速變化的工作環境，需要採用快速解決方案對工具進行安裝、更換和維護。然而，製造機械加工零件往往成本高昂，需要配備技術嫻熟的專業人員，並且可能需要數週到數月的時間。因此，過度依賴傳統製造方法會拖慢迭代速度、消耗預算，最終導致工廠出現不必要的長時間停工。
• 許多積層製造解決方案據稱在理論上都能解決這個難題。然而，典型的塑膠3D 列印機無法達到所需的精度和可重複性，更不用說工業應用所需的強度和品質了。
• 雖然我們的前幾代碳纖維3D 列印機為取代機械加工零件提供了一種快速且經濟效益高的方法，但我們並未就此止步，而是致力於開發一款功能更強、更實用的印表機。使用FX10，用戶可以輕鬆、有效率地提高工廠的獲利能力和生產效率：

 

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議程：

1.    AI無人機與蜂群技術之簡介與應用
2.    MF工業旗艦級3D列印機FX10新機登場
3.    SLS技術在無人載具的應用
4.    親身體驗NimbleTrack實機操作