Εφαρμογή συνεχούς ενίσχυσης ινών άνθρακα
Η αρχή της χρήσης ενίσχυσης ινών σε σύνθετα υλικά είναι ότι οι ενισχυτικές ίνες είναι γενικά πιο ανθεκτικές στη φθορά, ισχυρότερες και έχουν καλύτερες μηχανικές ιδιότητες από το υλικό της μήτρας. Όταν τα σύνθετα υλικά υποβάλλονται σε βλάβη κάμψης ή διάτμησης, οι ενισχυτικές ίνες απομακρύνονται από τη μήτρα και απορροφούν ενέργεια από τα εφαρμοσμένα φορτία. Μέσα σε ένα συγκεκριμένο εύρος μήκους, οι μεγαλύτερες ίνες απορροφούν περισσότερη ενέργεια κατά τη διάρκεια της έλξης, αυξάνοντας τη δύναμη του σύνθετου υλικού. Για σύνθετα υλικά με το ίδιο περιεχόμενο όγκου, οι μεγαλύτερες μεμονωμένες ίνες σημαίνουν λιγότερες ίνες, μειώνοντας τη συγκέντρωση του στρες και βελτιώνοντας τη συνολική απόδοση. Επιπλέον, οι συνεχείς, μακρύτερες ίνες άνθρακα παρέχουν καλύτερη λίπανση, μείωση της τριβής και φθοράς και μειώνοντας το σχηματισμό λειαντικών συντριμμιών.
Λόγω των περιορισμών εργαλείων, τα συστατικά σύνθετων ενισχυμένων με ίνες άνθρακα (CFRTP) συνδέονται συνήθως σε πολλαπλά κομμάτια, καθιστώντας τις αρθρώσεις τα πιο αδύναμα σημεία. Η ποιότητα των αρθρώσεων επηρεάζει άμεσα τη δύναμη της κόπωσης και τη διάρκεια ζωής των εξαρτημάτων CFRTP. Οι συνήθεις μέθοδοι σύνδεσης περιλαμβάνουν μηχανική ένωση, τσιμεντοποίηση και συγκόλληση. Η συγκόλληση, η οποία χρησιμοποιεί τις δευτερεύουσες ιδιότητες τήξης της θερμοπλαστικής ρητίνης, παρέχει καλύτερη αντοχή στην άρθρωση και περιβαλλοντική προσαρμοστικότητα από τη συγκόλληση και αποφεύγει τη συγκέντρωση του στρες από μηχανικές αρθρώσεις. Η συγκόλληση είναι επίσης ταχύτερη και πιο εύκολη στην αυτοματοποίηση.
Η συγκόλληση με λέιζερ, μια μέθοδος μη επαφής, προσφέρει υψηλή ταχύτητα, υψηλή αντοχή, χαμηλή τάση δόνησης και καταλληλότητα για σύνθετες δομές, που δείχνουν καλές προοπτικές για τη συγκόλληση CFRTP. Πρόσφατες έρευνες έχουν διερευνήσει τη συγκόλληση διείσδυσης λέιζερ και την τεχνολογία Laser Direct. Η συγκόλληση διείσδυσης με λέιζερ μπορεί να συμμετάσχει διαφανές ρητίνες, CFRTP, αδιαφανείς ρητίνες και μεταλλικά υλικά. Το Ινστιτούτο Υλικών του Ningbo, η κινεζική Ακαδημία Επιστημών, χρησιμοποίησε την τεχνολογία Direct Locing Laser για να ενταχθεί στο CFRTP με ανοξείδωτο χάλυβα και κράμα αλουμινίου και διαπίστωσε ότι η αντοχή της άρθρωσης υπερέβη εκείνη της μήτρας ρητίνης, αν και η βελτίωση της ποιότητας των αρθρώσεων.
Η τρέχουσα έρευνα 3D εκτύπωσης σχετικά με τα ενισχυμένα με ίνες άνθρακα θερμοπλαστικά σύνθετα επικεντρώνεται κυρίως σε σύντομες ίνες άνθρακα, με περιορισμένη έρευνα σε συνεχείς ίνες άνθρακα και ασθενή προσκόλληση μεταξύ των στρωμάτων, η οποία επηρεάζει την απόδοση κάμψης.
Σε αντίθεση με την παραδοσιακή τεχνολογία FDM, ένας νέος σχεδιασμός εκτύπωσης χρησιμοποιεί το πολυλακτικό οξύ (PLA) ως θερμοπλαστική μήτρα και συνεχείς ίνες άνθρακα ως ενίσχυση. Η κεφαλή εκτύπωσης περιλαμβάνει κινητήρα εξώθησης, μπλοκ θερμαντικών, σωληνώσεων από ίνες άνθρακα και ακροφύσιο. Κατά τη διάρκεια της εκτύπωσης, το θερμοπλαστικό υλικό λιώνει και οι ίνες άνθρακα συγχωνεύονται με το τετηγμένο υλικό, το οποίο προωθείται από τον κινητήρα εξώθησης και εξωθείται από το ακροφύσιο. Αυτή η διαδικασία επιτρέπει την 3D εκτύπωση των θερμοπλαστικών σύνθετων ενισχυμένων με ίνες άνθρακα.
