Новая волна аддитивного производства использует полимерные композиты, которые выдавливаются из сопла в качестве эпоксидной смолы, но армированы короткими рублеными углеродными волокнами. Волокна делают материал прочнее, как арматура на цементном тротуаре. Полученный объект намного жестче и прочнее, чем смола сама по себе.
Вопрос, который был задан в недавнем исследовании Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, чтобы ответить на вопрос, какая конфигурация или структура углеродных волокон в слоях экструдированной смолы приведет к получению самого жесткого материала.
Джон Ламброс, профессор кафедры аэрокосмической техники и директор Лаборатории передовых испытаний и оценки материалов в Университете I, обратился к исследовательской группе аддитивного производства из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса с просьбой протестировать композитные детали, которые они создали с помощью чернил. техника письма.
«Углеродные волокна маленькие, около семи микрон в диаметре и 500 микрон в длину», – сказал Ламброс. "С микроскопом проще, но невооруженным глазом вы определенно можете увидеть связку.
Волокна в основном выровнены в экструдированной смоле, которая похожа на клей, удерживающий волокна на месте. Группа Лоуренса Ливермора предоставила детали, созданные с несколькими различными конфигурациями, и одна сделана без каких-либо встроенных волокон в качестве контроля. Одна из частей была теоретически оптимизирована для обеспечения максимальной жесткости, но группа хотела получить окончательное экспериментальное подтверждение процесса оптимизации."
Ламброс сказал, что в ожидании реальных образцов композита аддитивного изготовления, Ламброс и его ученик сделали свои собственные «манекены» из оргстекла, и таким образом могли приступить к испытаниям манекенов.
В данном случае тестируемая форма представляла собой вилку-скобу – небольшую пластину овальной формы с двумя отверстиями, используемыми для соединения двух других поверхностей. Для каждой формы образца лаборатория Lambros должна создать уникальное приспособление для загрузки, чтобы протестировать его.
«Мы создаем стойки, ручки и все остальное – как они будут окрашены, как камеры будут записывать тесты и так далее», – сказал Ламброс. "Когда мы получили настоящие образцы, они не были точно такой же формы. Толщина была немного другой, чем у нашего оргстекла, поэтому мы сделали новые распорки и в итоге доработали.
Что касается механики, мы должны быть очень осторожны. Необходимо использовать точность, чтобы быть уверенным, что любая возможная сертификация деталей, изготовленных аддитивным способом, будет проведена должным образом."
«Мы создали экспериментальную основу для проверки оптимального рисунка армированного короткими волокнами композитного материала», – сказал Ламброс. «Когда загрузочная машина напрягла соединительные пластины с вилкой, мы использовали технику корреляции цифровых изображений для измерения поля смещения по поверхности каждого образца, отслеживая движение в значениях интенсивности пикселей серии цифровых изображений, снятых по мере деформации образца. На поверхность образца наносится случайный спекл-узор, который служит для уникальной идентификации подмножеств цифровых изображений, чтобы их можно было отслеживать во время деформации."
Они протестировали один контрольный образец и четыре различных конфигурации, включая ту, которая, как считается, была оптимизирована по жесткости, с волнистым рисунком волокон, а не с ориентированным вдоль горизонтальных или вертикальных линий.
«Каждый образец соединительной пластины с вилкой имел 12 слоев в стопке. Оптимизированный вариант имел изогнутые линии наплавки и зазоры между ними », – сказал Ламброс. "Согласно прогнозам Ливерморской группы, зазоры есть по дизайну, потому что вам не нужно больше материала, чем это, чтобы обеспечить оптимальную жесткость. Вот что мы тестировали. Мы пропустили загрузочные штифты через отверстия, затем вытащили каждый образец до точки разрушения, записывая величину нагрузки и смещение.
"Конфигурация, которую они предсказывали, будет оптимальной, действительно была оптимальной. Наименее оптимальным оказался контрольный образец, который представляет собой просто смолу – как и следовало ожидать, потому что в нем нет волокон."
Ламброс сказал, что в анализе есть предпосылка о том, что это глобальный оптимум – это означает, что это абсолютно лучший образец, построенный по жесткости – нет другого образца сборки лучше, чем этот.
«Хотя, конечно, мы протестировали только четыре конфигурации, похоже, что оптимизированная конфигурация может быть абсолютно лучшей на практике, потому что конфигурации, которые чаще всего используются при проектировании, такие как выравнивание 0 ° -90 ° или ± 45 °, были более послушным или менее жестким, чем этот, – сказал Ламброс. «Интересно, что мы обнаружили, что образец, оптимизированный для максимальной жесткости, оказался и самым прочным. Итак, если вы посмотрите, где они ломаются, это самая высокая нагрузка. Это было несколько неожиданно в том смысле, что они не оптимизировали для этой функции.
Фактически, оптимизированный образец также был немного легче, чем другие, поэтому, если вы посмотрите на конкретную нагрузку, нагрузку отказа на единицу веса, она намного выше. Это немного сильнее, чем другие. И почему это так, мы собираемся исследовать в следующий раз."
Ламброс сказал, что в будущем, возможно, будет проведено больше испытаний, но на данный момент его команда успешно продемонстрировала, что они могут предоставить валидацию для оптимизированной аддитивной композитной сборки.