¿Cómo afecta la impresión 3D a la fabricación de materiales compuestos?

Según Market Watch de 3D Science Valley, los materiales compuestos han encontrado un lugar en una variedad de aplicaciones. Proporcionan materiales y métodos probados para la fabricación de varios componentes valiosos, especialmente los principales componentes de aeronaves. La aplicación de materiales compuestos sigue avanzando y, a día de hoy, la impresión 3D está acelerando este progreso. El desarrollo de la tecnología de fabricación aditiva proporciona una forma de fabricar piezas a partir de materiales compuestos sin necesidad de moldes y, al mismo tiempo, la fabricación aditiva ofrece nuevas opciones para los métodos de fabricación de la industria de materiales compuestos.

Fabricación compuesta más flexible

La tendencia de desarrollo de la fabricación aditiva de impresión 3D es hacia un nivel de profundización multidimensional, que enfrenta aplicaciones de producción en masa y se extiende hacia el lado de la aplicación. Un camino de desarrollo hacia la industrialización es la combinación de nuevos materiales y nuevos procesos de fabricación.

“Compuesto ” generalmente se refiere a un material de matriz de polímero termoestable o termoplástico reforzado con fibras continuas o discontinuas, típicamente fibras de carbono; fibras de vidrio; o fibras naturales como yute, lino, aramida o fibras de basalto.

En la industria aeronáutica, por ejemplo, en 1970 los aviones no tenían materiales compuestos, y hoy el Boeing Dreamliner es 80 por ciento compuesto. Además, en la industria automotriz, por ejemplo, GE pudo reemplazar muchas de las piezas de acero libres de tensión de los automóviles, como parachoques y carcasas de filtros de aire, con piezas de plástico en la década de 1980. Las piezas compuestas de fibra de carbono fabricadas de forma aditiva pueden reemplazar con éxito muchas piezas existentes de la misma manera.

En relación con la industria aeronáutica, la primera oportunidad para la impresión 3D de compuestos de fibra de carbono en el campo de la automoción puede recaer en piezas como alerones, volantes o manijas de puertas, y luego avanzar gradualmente hacia la sustitución de grandes componentes estructurales.

Para la audiencia, el mercado final más valioso para los compuestos en la actualidad es el aeroespacial. En la industria aeroespacial, los materiales compuestos se utilizan en una variedad de piezas y estructuras, incluidos revestimientos de fuselaje, largueros y marcos; estructuras de las alas, incluidos los revestimientos de las alas, los largueros y los largueros; y estructuras de la cola; y componentes más discretos, como alrededor de las ventanas, componentes interiores, incluidos compartimentos de almacenamiento de equipaje y particiones interiores. Las paredes del interior de los aviones también suelen estar hechas de materiales compuestos.

Al mismo tiempo, otros mercados finales en términos de volumen de material incluyen la industria de la energía eólica, como las palas eólicas hechas de materiales compuestos.

Para la fabricación compuesta, el papel de la fabricación aditiva es hacer que las piezas sean más eficientes y rápidas, lo que puede no ser posible con la fabricación compuesta existente cuando se consideran piezas discretas o fabricación de bajo volumen. La fabricación aditiva lo hace posible y, mediante el uso de fibras continuas en el aditivo, se introducirán elementos de resistencia y rigidez, lo que lleva el aspecto de aplicación de la pieza al siguiente nivel.

5 técnicas para la impresión 3D de composites

1. Impregnación in situ: Las fibras secas se introducen en una boquilla mientras que el material de la matriz se inyecta mediante uno o más medios de entrada durante la deposición por coextrusión. La matriz se introduce y se calienta y las fibras se impregnan in situ antes de la deposición.

2. Coextrusión con torres: en lugar de fibras secas, el preimpregnado/cinta preimpregnada delgada se introduce en una boquilla, se calienta y se coextruye con otros materiales de matriz. Típicamente, la matriz en los dos es la misma que en la coextrusión. Anisoprint es una excepción, donde la matriz preimpregnada es termoestable mientras que la coextrusión es termoplástica.

3. Extrusión Towpreg: La entrada de estopa se calienta y se extruye sin ningún otro material.

4. Consolidación in situ: Este proceso es similar a una versión reducida de la colocación automática de fibra (AFP) para termoplásticos, donde la cinta de preimpregnado/remolque termoplástico entrante se cura in situ a medida que se deposita. Durante el proceso de alimentación, la materia prima es calentada por una fuente de energía externa en la boquilla y luego colocada y curada por rodillos de presión durante el proceso de deposición.

5. Impregnación en línea: Similar al bobinado de filamento 3D, la fibra se impregna a medida que se entrega al cabezal de impresión. Al igual que con la extrusión de estopa, la deposición se produce a través de una boquilla.

Desarrollo de aplicaciones de impresión 3D compuesta

Entonces, ¿qué piezas se pueden fabricar en materiales compuestos ahora, o tal vez será más fácil gracias al proceso de fabricación aditiva AM?

Varios soportes y sujetadores se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial, especialmente en algunas estructuras aeronáuticas. Por ejemplo, una serie de cuadernas y largueros dentro del revestimiento del fuselaje. Según el régimen de fabricación actual, se requiere un sujetador mecánico para conectar el marco y la estructura al revestimiento del fuselaje. Esto se está haciendo actualmente usando una variedad de soportes y sujetadores complejos, así como otros accesorios fabricados usando la fabricación compuesta tradicional (moldeo por compresión) y se puede ver que esto se haga de manera más eficiente a través de la fabricación aditiva en el futuro, dependiendo de los requisitos de volumen y material de este trabajo.

Por supuesto, no solo en escenarios de aplicaciones a gran escala, como aviones, sino que los materiales compuestos de impresión 3D también tienen un espacio de aplicación imaginativo en escenarios pequeños.

La fabricación aditiva AM hace que los compuestos sean cada vez más prácticos para piezas fabricadas de bajo volumen, más pequeñas y más complejas. El productor de compuestos Hexcel, por ejemplo, también utiliza el proceso de fabricación de aditivos compuestos "HexAM" de la empresa para imprimir componentes de vehículos aéreos no tripulados (UAV) en 3D.

Pero cuando se trata de piezas algo complejas y de bajo volumen, una pieza más imaginable podría ser un reemplazo para las piezas de metal mecanizadas de hoy. La sustitución de piezas metálicas por composites ha sido la forma de trabajar de la industria de los composites durante unos 50 años. Sin embargo, es necesario abordar los desafíos que enfrentan los materiales compuestos fabricados de forma aditiva para reemplazar los productos metálicos.

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