Koolstofvezelbewerking: processen, uitdagingen en gereedschappen

“De hoge sterkte-gewichtsverhouding van koolstofvezel maakt het ideaal voor lucht- en ruimtevaart- en automobieltoepassingen, maar de hardheid vereist een nauwkeurige bewerkingstechniek”

Koolstofvezels zijn lichtgewicht composieten die bekend staan ​​om hun hoge sterkte, laag gewicht, duurzaamheid, slagvastheid en vele andere gunstige eigenschappen voor talloze industriële toepassingen. Deze composietonderdelen zijn vooral populair in lucht- en ruimtevaart-, marine- en sportartikelen. Tussen verschillende processen, bewerking van koolstofvezels is een van de prominente voor het vervaardigen van componenten van verschillende vormen en afmetingen. 

Koolstofvezelmaterialen kunnen worden verwerkt door frezen, draaien, boren, tappen en andere bewerkingen. Het is echter moeilijk vanwege de hardheid, broosheid en schurende eigenschappen. Er zijn te veel materiaal, geometrie, snijparameters en andere overwegingen nodig voor de bewerking van koolstofvezelonderdelen.

Aan het einde van dit artikel zullen we bespreken wat koolstofvezel is, de eigenschappen ervan, bewerkingsbewerkingen en toepassingsvoorbeelden;

Wat is koolstofvezelcomposiet?

Koolstofvezelplaten

Het koolstofvezelcomposiet is de matrix van lange en strak in elkaar grijpende koolstofvezelketens die met harsen aan elkaar zijn gebonden. De diameter van de vezel varieert doorgaans tot 10 μm en weegt aanzienlijk minder dan andere technische materialen zoals staal en titanium. 

Een stof als polyacrylonitril (PAN) levert de koolstofvezels die nodig zijn om composietplaten te maken. Deze vezels worden tot stoffen geweven of op elkaar gelegd en vervolgens geïmpregneerd met epoxyhars om prepreg te vormen. Vervolgens volgt het vormen en uitharden van prepreg-materiaal onder hitte en druk om de composietplaten te vormen.

Wat zijn de belangrijkste eigenschappen van koolstofvezel?

Stijf koolstofvezelmateriaal biedt een uitstekende sterkte-gewichtsverhouding, stijfheid, slijtvastheid, superieure corrosieweerstand en andere gunstige eigenschappen. Deze zijn essentieel voor de productie, vooral in de lucht- en ruimtevaart en soortgelijke toepassingen met hoge sterkte en lichtgewicht.

De lijst met koolstofvezeleigenschappen is als volgt;

• Hoge mechanische sterktes (trek- en druksterkte)
• Minimale thermische uitzetting en bestand tegen zware omstandigheden.
• Sterkte en lichtgewicht
• Uitstekende dempende en zelfsmerende eigenschappen
• Hoge vermoeidheidsweerstand en duurzaamheid
• Gladde en aantrekkelijke afwerking
• Corrosie-, slijtage-, kras- en slijtvastheid.

Bovendien biedt koolstofvezel vijf keer meer sterkte dan staal bij hetzelfde gewicht. Uit dit feit blijkt de relevantie ervan in lichtgewicht onderdelen zonder dat dit ten koste gaat van de sterkte.

Tabel: Koolstofvezeleigenschappen (met dank aan: Researchgate)

Uitdagingen bij het bewerken van koolstofvezels

De taaiheid, het schurende karakter en de compacte structuur van koolstofvezels maken het moeilijk om met eenvoudige gereedschappen en parameters te bewerken, zoals bij het bewerken van metaal. Er zijn dus enkele complexen en uitdagingen bij het bewerken van koolstofvezels. Het onderkennen van de potentiële problemen en het nemen van preventieve maatregelen kunnen echter de uitdagingen en defecten bij het bewerken elimineren.

• Lage thermische geleidbaarheid van koolstofvezel 

De lage thermische geleidbaarheid van materialen is een van de uitdagingen bij het bewerken, omdat het warmte kan opbouwen in bewerkingsgebieden en snijgereedschappen; er stroomt een kleine hoeveelheid warmte door de spanen. Het kan dus de eigenschappen aantasten of de koolstofvezellaag delamineren. 

preventie:  Gebruik gespecialiseerde koelmiddelen, gecontroleerde snijsnelheden en geavanceerde gereedschapscoatings.

• De schurende aard van koolstofvezel 

Werkstukken van koolstofvezel zijn schurend en kunnen snelle gereedschapsslijtage en trillingen in apparatuur veroorzaken. Hierdoor kan de afwerking een hoge mate van ruwheid en oneffenheden bevatten.

Voorkomen : Gebruik diamantgecoate gereedschappen en stabiele bewerkingsinstellingen om gereedschapsslijtage en trillingen te verminderen.

• Stofvorming 

Koolstofvezel produceert meer stofdeeltjes dan de bewerking van andere materialen, wat niet alleen een probleem is voor het management, maar ook schadelijk is voor de menselijke gezondheid.

Voorkomen : Ventilatiesystemen, stofafzuiging, PBM's en andere voorzieningen zijn noodzakelijk.

• Inconsistente laaguitsnijdingen

Koolstofvezelcomposieten zijn vaak gelaagd met verschillende materialen of oriëntaties om specifieke mechanische eigenschappen te verbeteren. Deze variaties kunnen van invloed zijn op de manier waarop elke laag reageert op de bewerking, wat leidt tot een inconsistente snijkwaliteit, variërende diktes en een verzwakte structurele integriteit.

preventie: Aanpassen van parameters met realtime feedback, simulatie van het gereedschapspad en het stevig vasthouden van het composietwerkstuk. 

CNC-bewerkingsgereedschappen voor koolstofvezelmateriaal

Bewerkingsgereedschappen van koolstofvezel

Gereedschappen met een harde materiaalcoating hebben de voorkeur voor het bewerken van koolstofvezels om de taaiheid in evenwicht te brengen. Diamant, volhardmetaal en polykristallijne diamant zijn enkele coatingopties. De onderstaande tabel toont de gebruikelijke toolingopties met hun voor- en nadelen;

Tabel: Tolheffing voor CNC-bewerking van koolstofvezel 

Bovendien zijn de bewerkingssnelheid en voedingssnelheid twee andere belangrijke overwegingen naast het gereedschap om schade en gereedschapslijtage te voorkomen. Gebruik een voedingssnelheid van 0.02-0.05 mm/omw, spilsnelheden van 5,000-7,000 tpm en snijsnelheden van ongeveer 200 m/min.

Bewerkingsprocessen van koolstofvezels

Koolstofvezel kan in de gewenste vorm worden bewerkt met verschillende bewerkingsprocessen, frezen, draaien, boren, enz. Elk van deze processen maakt gebruik van verschillende bewerkingsgereedschappen en biedt unieke mogelijkheden.

Bewerkingsproces van koolstofvezels

1. Frezen

Bij het freesproces worden roterende snijgereedschappen gebruikt om materiaal te verwijderen en complexe vormen met nauwkeurige afmetingen te creëren. De voorkeursgereedschappen voor dit proces zijn met diamant beklede of polykristallijne diamant (PCD) vingerfrezen. Ze zijn zeer goed bestand tegen de schurende aard van koolstofvezel. Voor het frezen van koolstofvezels zijn spiltoerentallen van 5,000-7,000 tpm en voedingen van 0.02-0.05 mm/omw optimaal.

2. Draai

Bij het draaien roteert het werkstuk terwijl een stationair snijgereedschap materiaal verwijdert door het naar het werkstuk te voeren. Het wordt voornamelijk gebruikt voor de vervaardiging van cilindrische koolstofvezelonderdelen. Ondertussen zijn diamantgecoate of PCD-draaibankgereedschappen ideaal voor draaien. Vervolgens zijn gematigde spilsnelheden en gecontroleerde voedingssnelheden nodig om delaminatie van de koolstofvezellagen te voorkomen. 

3. Boren 

De boor roteert naar binnen vanaf het werkstukoppervlak en verwijdert het materiaal om gaten te creëren met dezelfde diameter als de boor. Het boren van koolstofvezels is bijzonder uitdagend vanwege de neiging van het materiaal om te rafelen en te delamineren. Om deze problemen te minimaliseren, wordt de voorkeur gegeven aan gespecialiseerde boren met een negatieve spaanhoek en hoge spilsnelheden. 

4. Tapping

Bij het tappen ontstaan ​​draden in de geboorde gaten, meestal voor bevestigingsmiddelen in koolstofvezelcomponenten. Tappen vereist precisie en zorg om beschadiging van de composietstructuur bij het bewerken van koolstofvezels te voorkomen. Gespecialiseerde tappen ontworpen voor composietmaterialen (vaak bedekt met titanium of diamant) kunnen de boorprestaties verbeteren. 

5. Waterstraalsnijden

Een waterstraalsnijder gebruikt een waterstraal onder hoge druk, vaak gemengd met schurende deeltjes, om materialen in ontworpen vormen of patronen te snijden. Dit proces is zeer effectief voor koolstofvezelplaten omdat het minimale thermische spanning produceert en delaminatie voorkomt. Vervolgens maakt waterjet complexe vormen en kenmerken mogelijk.

Toepassingen van koolstofvezel CNC-bewerking

CNC-draaibanken, freesmachines, draaicentra en alle apparatuur maken gebruik van computernumerieke besturing om de materiaalverwijdering uit te voeren. Vervolgens kunnen ze verschillende soorten gereedschappen huisvesten op basis van de bewerkingsvereisten. Deze twee en vele andere mogelijkheden van CNC-machines maken ze ideaal voor het verwerken van koolstofvezels tot functionele componenten voor diverse industrieën, zoals de lucht- en ruimtevaart, de automobielsector, de elektronica, enz.

Op maat gemaakte bewerkingsonderdelen van koolstofvezel

LUCHT- EN RUIMTEVAART

Toepassing van koolstofvezel speelt een belangrijke rol in de lucht- en ruimtevaartindustrie, van commerciële vliegtuigen tot drones, raketten en satellieten. Daar zijn twee belangrijke redenen voor: sterkte en gewicht. Bovendien kan CNC-bewerking omgaan met nauwe toleranties en complexiteit.

Voorbeelden;

• Vliegtuigvleugels, staartvinnen, landingsgesteldeuren en rompsecties.
• Satellietframes
• Onbemande luchtvaartuigen (UAV's)
• Helikopter rotorbladen
• Propellerbladen
• Rakethulzen
• Structurele panelen van ruimtevaartuigen

Sportartikelen

Het lage gewicht van koolstofvezel ondersteunt ook verschillende sportartikelen zoals fietsen en ski's. Hier verbeteren het lagere gewicht en de superieure sterkte hun prestaties.

Voorbeelden;

• Golfclubschachten
• Boogschieten bogen
• Hockey sticks
• surfplanken
• Kajak peddel
• Tennis rackets

MEDISCHE

Koolstofvezel is geschikt voor sommige medische implantaten en verschillende componenten van medische apparatuur vanwege de hoge corrosie- en slijtvastheid. Bovendien is het biocompatibel en vertoont het een elastische modulus die dicht bij menselijke botten ligt.

Voorbeelden;

• Prothetische ledematen
• Chirurgische instrumenten
• Orthopedische beugels
• Brancards voor ziekenvervoer
• Medische implantaten
• Rolstoelframes
• Operatietafels

Defensie en leger 

Koolstofvezel verbetert de prestaties en efficiëntie van apparatuur en voertuigen en biedt superieure ballistische bescherming en verbeterde brandstofefficiëntie. Ondertussen handhaaft het de structurele integriteit van het systeem van voertuigonderdelen onder extreme omstandigheden.

Voorbeelden;

• Kogelvrije vesten
• Helmen
• Bepantsering van voertuigen
• Rakethulzen
• Draagbare schuilplaatsen
• radomes
• Antenne structuren
• Tankrokken

Andere industrieën

Energie-, bouw-, scheepsbouw- en andere industrieën maken ook gebruik van koolstofvezelbewerking voor verschillende onderdelen.

Voorbeelden;

• Windturbinebladen, zonnepanelenframes, booreilandcomponenten, batterijbehuizingen
• Rompversterkingen, schroefassen, dekconstructies
• Carrosseriepanelen van sportwagens
• Industriële walsen en onderdelen voor muziekinstrumenten

Samenvatting

Over het geheel genomen is koolstofvezel het ideale technische materiaal waarbij een hoge sterkte-gewichtsverhouding, superieure corrosie- en slijtvastheid en taaiheid vereist zijn. Een voorbeeld van preventie zijn lucht- en ruimtevaartcomponenten, die we in dit artikel hebben besproken. Ondertussen is het rekening houden met gereedschaps- en bewerkingsvariabelen van cruciaal belang bij het bewerken van koolstofvezelonderdelen. Coatings van harde materialen worden doorgaans gebruikt om deze eigenschappen en mogelijke uitdagingen aan te pakken.

Bij ProleanTech gebruiken we een aangepaste gereedschapsaanpak voor de bewerking van koolstofvezels. Onze ingenieurs simuleren het gereedschapspad en de bewerkingen om de bewerkingsparameters zoals spilsnelheid, voedingssnelheid, snijsnelheid, enz. te optimaliseren. Dus als u gerelateerde componenten of prototypes nodig heeft, vraag dan een offerte aan! 

Veelgestelde vragen

 Zijn koolstofvezelbewerkingsonderdelen duur?

Bewerkte koolstofvezelonderdelen zijn over het algemeen duurder vanwege de hoge grondstoffenkosten dan metalen onderdelen. Hun langetermijnvoordelen, zoals gewichtsbesparing en duurzaamheid, kunnen de investering echter rechtvaardigen.

Is koolstofvezel robuuster dan staallegeringen?

Koolstofvezel is qua sterkte niet noodzakelijkerwijs robuuster dan staallegeringen, maar biedt wel een superieure sterkte-gewichtsverhouding. Dit betekent dat het een vergelijkbare sterkte heeft en toch aanzienlijk lichter is.

Welke soorten gereedschappen zijn geschikt voor het bewerken van koolstofvezels?

Gespecialiseerd gereedschap met diamant- of hardmetalen punten is geschikt voor het bewerken van koolstofvezels om de schurende aard van koolstofvezels te weerstaan ​​en slijtage te verminderen.

Wat zijn de uitdagingen bij het bewerken van koolstofvezels?

Enkele uitdagingen zijn onder meer abrasiviteit, het risico op delaminatie en warmteontwikkeling.