Kevlar vs Fibra de Carbono: Diferenças-Chave e Desempenho do Material

Tanto o Kevlar® quanto a fibra de carbono têm histórias interessantes que mostram exploração e inovação de materiais. Na Markforged, adoramos explorar materiais e suas combinações para desbloquear novo potencial e liderar o desenvolvimento de inovação na indústria de manufatura aditiva. Somos líderes na impressão 3D de filamentos contínuos com nosso processo patenteado CFF (Continuous Filament Fabrication), que deposita filamentos contínuos de fibra em uma peça FFF Onyx para reforçar efetivamente peças plásticas com resistência de metal. Isso aumentavastamente a durabilidade e vida útil da peça, e otimiza o perfil de resistência adicionando fibras onde a resistência é mais necessária.

Kevlar

O que você pensa ao ouvir o nome Kevlar? A maioria pensa em coletes à prova de balas. Você pode não pensar na DuPont™, mas este material foi desenvolvido pela DuPont™ em 1964 pela química polaco-americana Stephanie Kwolek.

Você sabia que o Kevlar tem diversos usos em diferentes indústrias? Encontrado em aplicações cotidianas como:

• Pneus de carros e bicicletas
• Placas para pesos
• Velas e cordas
• Luvas, meias e bagagens
• Botas de trabalho
• Pastilhas de freio
• Equipamentos de proteção
• Vedantes

Kevlar é uma fibra sintética do grupo das aramidas, resistente ao calor. Kevlar e Nomex fazem parte deste grupo. Fibras sintéticas são criadas por síntese química, ao contrário de fibras naturais derivadas de organismos vivos. São criadas extrudando material formador de fibra através de filières, formando a fibra.

Kevlar tem tipo de alto módulo usado principalmente em cabos de fibra óptica, processamento têxtil, cordas, cabos, reforço plástico e aplicações compósitas para aeroespacial, automotivo, defesa, energia, consumo, eletrônica, médica e indústria pesada. O Comando de Engenharia de Instalações Navais explorou capacidades de corda Kevlar para engenharia e construção oceânica, resultando em designs inovadores e aplicações fornecidas pela incrível resistência à tração e flutuabilidade do Kevlar. A fibra Kevlar tem resistência à tração comparável à da fibra de carbono, módulo entre os de vidro e carbono e densidade menor que ambos.

Aramida Kevlar é usada para aplicações compósitas de alto desempenho onde leveza, alta resistência e rigidez, resistência a danos, fadiga e ruptura por estresse são importantes. A Markforged descobriu que reforçar Onyx, Onyx FR e até Nylon White com Kevlar permite que engenheiros e designers de peças criem peças extremamente versáteis. O Kevlar pode sofrer mudanças significativas em ambientes de baixa temperatura, tão baixos quanto -196°C (320°F), sem mostrar fragilização ou degradação, e em ambientes com radiação de elétrons, pois a radiação de elétrons não é prejudicial ao Kevlar. No entanto, o Kevlar é sensível à luz UV (ultravioleta).

Designers podem desenvolver peças seguras, fortes, rígidas, leves e tolerantes ao ambiente, aplicação e condições de carga imprimindo com fibras contínuas. Ao projetar peças com o processo CFF (Continuous Filament Fabrication), designers podem aproveitar a resistência à tração do Kevlar (estiramento ou puxão) que é mais de oito vezes maior que a de arame de aço.

Reforçar com CFF permite a qualquer designer construir peças compósitas com resistência de metal, aumentar a durabilidade (vida útil) da peça e otimizar a resistência onde é mais necessária. O Kevlar também tem um intervalo de deformação plástica muito longo e, quando falha, o faz fio por fio, podendo até dobrar ou cair em vez de romper. Tem um modo de falha muito mais previsível e perdoável comparado a outras fibras como fibra de carbono.

Propriedades únicas das fibras Kevlar:

• Alongamento muito baixo
• Alta resistência à tração
• Relação resistência-peso muito alta
• Excelente resistência à fadiga
• Bom desempenho em ampla faixa de temperatura
• Não derrete; decompõe a 800°F - 900°F (427°C a 482°C)
• Baixo creep
• Sem encolhimento
• Boa estabilidade química
• Altamente resistente à abrasão
• Fraqueza na direção transversal (fraco em resistência à compressão)
• Modo de falha menos catastrófico de todos os filamentos Markforged

Resistência a Impacto

Kevlar é 8x mais resistente a impacto que ABS enquanto permanece 15-20% mais leve que nossas outras fibras de reforço.

Resistência à Flexão

Em flexão de três pontos, Kevlar impresso em 3D é 3x mais forte que ABS e 6x mais forte que nylon.

Rigidez à Flexão

Kevlar impresso em 3D é 12x mais rígido que ABS e 30x mais rígido que nylon.

O Kevlar possui excelente durabilidade, tornando-o ideal para peças que experimentam cargas repetidas e súbitas. Tão rígido quanto fibra de vidro e muito mais dúctil, pode ser usado para ampla variedade de aplicações adaptadas para manufatura aditiva, como:

• Calçados esportivos
• Robótica e berços
• Efetores finais/garfas
• Capas de smartphones, eletrônicos pessoais
• Peças acionadas por hidráulica ou pneumática
• Equipamentos de proteção, capacetes; combate, motocicleta
• Alavancas de freio, grampos, suportes
• Dispositivos, ferramentas, fixação, mandíbulas macias
• Engrenagens, chaves, drones
• Artigos esportivos & acessórios, mosquetões
• Peças de uso final, produtos de consumo, etc...

Garras da Dixon Valve são impressas com Onyx e reforçadas com Kevlar. O material deve ser forte o suficiente para transmitir a força de fixação, durável através de ciclos de carga repetidos e não marcante para as válvulas.

Compósitos em impressão 3D aproveitam a resistência à compressão da matriz plástica — a estrutura de suporte que compreende a maior parte do volume da peça — e a resistência à tração das fibras embutidas. Estes dois materiais são mutuamente dependentes: sem fibra, a peça plástica é apenas tão forte quanto a adesão dentro e entre fios de plástico extrudado. Sem a matriz, a fibra não tem estrutura e portanto não manterá sua forma. A matriz cria espaço para que a fibra tenha um braço de alavanca para estabilizar contra a carga. Quando combinados, eles sinergizam para formar um compósito com maior resistência tanto em compressão quanto em tração do que cada um pode oferecer individualmente. Isso vale para todas as nossas fibras: Kevlar, fibra de carbono, fibra de vidro e fibra de vidro HSHT.

Agora, vamos explorar nosso entendimento sobre fibra de carbono um pouco mais.

Fibra de Carbono

Filamento de fibra de carbono é composto por átomos de carbono organizados em estrutura cristalina. Devido à sua rigidez e resistência muito altas, é amplamente usado nas indústrias aeroespacial e automotiva. Tem uma das maiores relações resistência-peso existentes — superior a aço e titânio.

Leia nosso Guia de Design de Compósitos Gratuito

Relação Resistência-Peso

Comparado ao alumínio 6061, fibra de carbono impressa em 3D tem 50% maior relação resistência-peso em flexão e 300% maior em tração.

Resistência à Flexão

Em flexão de três pontos, nossa fibra de carbono impressa em 3D é 8x mais forte que ABS e 20% mais forte que o limite de escoamento do alumínio.

Rigidez à Flexão

Filamento de fibra de carbono impresso em 3D é 25x mais rígido que ABS e 2x mais rígido que as demais fibras de reforço da Markforged.

Características do material fibra de carbono:

• Fibra de carbono impressa em 3D Markforged iguala a resistência de escoamento do Alumínio 6061
• Falha na mesma tensão que o Alumínio começa a deformar plasticamente
• Fibra de carbono retorna à forma original após remoção da carga enquanto Alumínio deforma plasticamente
• Alta rigidez e alta relação resistência-peso
• Condutivo à eletricidade
• Resistente a corrosão e calor
• Rígido até fratura (falha abrupta e não previsível)
• Carregamento ideal é constante — suportando força conhecida o tempo todo

As incríveis propriedades da fibra de carbono permitem seu uso como substituto de metal em aplicações onde economia de peso é importante. Toda indústria agora tem capacidade de alavancar CFF com fibra de carbono e imprimir peças incrivelmente fortes. Design Generativo também oferece vantagens quando combinado com CFF Markforged, permitindo designers explorar múltiplas soluções otimizadas e selecionar o melhor design adaptado para seu uso sob perspectivas de design e resistência.

Fibra de carbono pode ser usada para ampla variedade de aplicações: aeroespacial, automotivo, arquitetura e construção, bens de consumo, médica, energia, defesa, eletrônica, maquinaria industrial, etc., adaptadas para manufatura aditiva e não há fim para esta lista, então aqui apenas algumas:

• Robótica e braços robóticos
• Efetores finais, garras e mandíbulas macias
• Dispositivos de inspeção, dispositivos de soldagem, dispositivos CMM
• Ferramentas de conformação
• Bicicletas e seus componentes
• Aplicações de automobilismo de alto nível

Veja o caso de uso da Haddington Dynamics, um braço robótico impresso em 3D reforçado com filamento de fibra de carbono contínuo, rígido e leve o suficiente para o braço robótico ter precisão de 50 mícrons. Usando uma impressora 3D de fibra de carbono, a empresa conseguiu reduzir contagem de peças de 800 para menos de 70.

Entre em contato para mais ajuda ou conselho sobre qual fibra de reforço é mais apropriada para sua aplicação. Solicite uma amostra de Kevlar ou fibra de carbono hoje.

Lista de Referências

1. Ferer, M. Kenneth e Swenson, C. Richard, "Design Guide for Selection and Specification of Kevlar Rope for Ocean Engineering and Construction", Jul. 1976.
2. Smith, F. William, 1996, "Principles of Materials Science and Engineering, Third Edition", McGraw-Hill.
3. DuPont™. DuPont™ Kevlar Applications - "The Kevlar® Journey, Top To Bottom". YouTube, Aug. 2014.
4. DuPont™. 2017, Kevlar Aramid Fiber Technical Guide.
5. Science Channel. "Watch In Slow-Motion As Kevlar Fibers Are Put To The Test." YouTube, Jun. 2017.
6. Yeung, K. K., e Rao, K. P., "Mechanical Properties of Kevlar Fibre Reinforced Thermoplastic Composites", Jan. 29, 2010.
7. Wikipedia contributors. "Kevlar." Wikipedia, 11 Aug. 2019.
8. Wikipedia contributors. "Aramid." Wikipedia, 8 Sep. 2019.
9. Wikipedia contributors. "Synthetic fiber." Wikipedia, 7 Sep. 2019.
10. Williams Bryan, Attwood Louise, Treuherz Pauline, 2017, "Design and Technology: All Materials Categories and Systems, Fire Resistant Materials".