Guia passo a passo para fabricação de componentes de fibra de carbono de alto desempenho

Os materiais compósitos, como os plásticos reforçados com fibra de carbono, são materiais altamente versáteis e eficientes, impulsionando a inovação em vários mercados, do aeroespacial ao de saúde. Eles superam os materiais tradicionais, como aço, alumínio, madeira ou plástico, e permitem a fabricação de produtos leves de alto desempenho.

Neste guia, aprenda os fundamentos da fabricação de peças de fibra de carbono, incluindo os diferentes métodos de disposição, laminação e moldagem de fibra de carbono, e como você pode usar a impressão 3D para fazer moldes de fibra de carbono para reduzir custos e economizar tempo. Também existem compósitos impressos diretamente em 3D, como o Formlabs Nylon 11 CF Powder, que é um material preenchido com fibra de carbono perfeito para aplicações que exigem rigidez e resistência superiores. Quando impresso na impressora Formlabs Fuse 1+ 30W, o Nylon 11 CF Powder produz peças leves e rígidas que permanecem estrutural e termicamente estáveis ​​e podem suportar impactos repetidos.



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Um material compósito é uma combinação de dois ou mais constituintes com características diferentes daqueles componentes individuais. As propriedades de engenharia são normalmente melhoradas, como maior resistência, eficiência ou durabilidade. Os compósitos são feitos de reforço - fibra ou partícula - mantidos juntos por uma matriz (polímero, metal ou cerâmica). 

Os polímeros reforçados com fibra (FRP) dominam o mercado e têm alimentado o crescimento de novas aplicações em diversos setores. Entre eles, a fibra de carbono é um compósito amplamente utilizado, especialmente em aeronaves, carros de corrida e bicicletas, pois é três vezes mais resistente e rígido que o alumínio, mas 40% mais leve. É formado por fibra de carbono reforçada ligada a uma resina epóxi.

As fibras podem ser uni-tecidas direcionalmente e estrategicamente alinhadas para criar resistência em relação a um vetor. As fibras entrelaçadas podem ser usadas para criar resistência em múltiplos vetores e também são responsáveis ​​pela aparência acolchoada característica das peças compostas. É comum que as peças sejam produzidas com uma combinação de ambos. Existem vários tipos de fibras disponíveis, incluindo:



A resina é usada para manter essas fibras unidas e criar um compósito rígido. Embora centenas de tipos de resinas possam ser empregados, aqui estão os mais populares: 

A fabricação de polímeros reforçados com fibra, como peças de fibra de carbono, é um processo habilidoso e trabalhoso, usado tanto na produção única quanto na produção em lote. O tempo de ciclo varia de uma hora a 150 horas dependendo do tamanho e da complexidade da peça. Normalmente na fabricação de FRP, as fibras retas contínuas são unidas na matriz para formar camadas individuais, que são laminadas camada por camada na peça final. 

As propriedades do compósito são induzidas tanto pelos materiais quanto pelo processo de laminação:a forma como as fibras são incorporadas influencia fortemente o desempenho da peça. As resinas termofixas são moldadas juntamente com o reforço em uma ferramenta ou molde e curadas para formar um produto robusto. Existem diversas técnicas de laminação disponíveis, que podem ser diferenciadas em três tipos principais:

Na disposição úmida, a fibra é cortada e colocada no molde e a resina é aplicada com pincel, rolo ou pistola. Este método requer mais habilidades para criar peças de alta qualidade, mas também é o fluxo de trabalho mais barato e com os requisitos mais baixos para começar a fazer peças de fibra de carbono DIY. Se você é novo na fabricação de peças de fibra de carbono e ainda não está equipado, recomendamos começar com a laminação manual úmida.





Assista ao vídeo para ver como funciona o processo de disposição úmida da fibra de carbono.

Com a laminação pré-impregnada, a resina é infundida na fibra à frente. As folhas pré-impregnadas são armazenadas frias para inibir a cura. Plies are then cured into the mold under heat and pressure in an autoclave. Este é um processo mais preciso e repetível porque a quantidade de resina é controlada, mas também é a técnica mais cara que normalmente é usada em aplicações de alto desempenho.



Na moldagem RTM, a fibra seca é inserida em um molde de duas partes. O molde é fechado antes de forçar a resina para dentro da cavidade em alta pressão. Geralmente é automatizado e usado para fabricação de grandes volumes.



Como a qualidade do molde impacta diretamente a qualidade da peça final, a fabricação de ferramentas é um aspecto crítico da fabricação de FRP. A maioria dos moldes é produzida em cera, espuma, madeira, plástico ou metal por meio de usinagem CNC ou artesanal. Embora as técnicas manuais exijam muita mão-de-obra, a usinagem CNC ainda segue um fluxo de trabalho complexo e demorado – especialmente para geometrias complexas – e a terceirização normalmente tem um custo alto e um longo prazo de entrega. Ambas as opções exigem trabalhadores qualificados e oferecem pouca flexibilidade nas iterações de projeto e ajustes de molde.

A manufatura aditiva oferece uma solução para a produção rápida de moldes e padrões com baixos custos para a fabricação de peças de fibra de carbono. O uso de ferramentas poliméricas em processos de fabricação está crescendo continuamente. Substituir ferramentas de metal por peças de plástico impressas internamente é um meio poderoso e econômico de reduzir o tempo de produção e, ao mesmo tempo, expandir a flexibilidade do projeto. Os engenheiros já trabalham com peças impressas em 3D de resina polimérica para a fabricação de gabaritos e acessórios para apoiar métodos como enrolamento de filamentos ou colocação automatizada de fibras. Da mesma forma, moldes e matrizes impressos de curta tiragem são empregados em moldagem por injeção, termoformagem ou conformação de chapas metálicas para fornecer lotes de baixo volume. 

A impressão 3D interna em desktop requer equipamento limitado e reduz a complexidade do fluxo de trabalho. As impressoras profissionais de resina de mesa, como a Form 4, são acessíveis, fáceis de implementar e podem ser rapidamente dimensionadas de acordo com a demanda. A fabricação de ferramentas e moldes grandes também é possível com impressoras 3D de grande formato, como a Form 4L.

A tecnologia de impressão 3D por estereolitografia (SLA) cria peças com um acabamento superficial muito liso, o que é essencial para moldes de disposição de fibra de carbono. Permite geometrias complexas com alta precisão. Além disso, a Biblioteca de Resinas Formlabs possui materiais de engenharia com propriedades mecânicas e térmicas que combinam bem com a fabricação de moldes e padrões.





Moldes impressos em 3D para fabricação de peças de fibra de carbono podem reduzir custos e diminuir prazos de entrega.

Para produção em pequena escala, os engenheiros podem imprimir diretamente o molde a baixo custo e em poucas horas, sem ter que esculpi-lo manualmente ou lidar com equipamentos CNC; Software CAM, configuração da máquina, fixação, ferramentas e evacuação de cavacos. A mão de obra e o tempo de entrega para a fabricação do molde são drasticamente reduzidos, permitindo uma rápida iteração do projeto e personalização de peças. They can achieve complicated mold shapes with fine details that would be difficult to manufacture with traditional methods. 

Diretrizes de Arquitetura e Design de Moldes

Ao projetar seu molde, considere o que será impresso com sucesso, bem como o que será moldado com sucesso. Diferentes arquiteturas de molde são usadas para criar diferentes tipos de geometria:

• Molde de peça única em ensacamento a vácuo: Utilizado para peças que necessitam de uma face classe A, ou seja, acabamento brilhante. Pode ser positivo ou negativo, dependendo de qual lado deve ser classe A. Um lado é a superfície do molde, o outro lado é a superfície do saco de vácuo.
• Molde de duas partes em moldagem por compressão: Usado para peças onde ambos os lados da peça precisam ser de classe A. Ambos os lados são superfícies de molde.
• Molde de bexiga em moldagem sob pressão: Usado para geometria complexa onde um saco de vácuo ou molde de compressão não pode ser empregado devido à incapacidade da peça de desmoldar. Um lado é a superfície do molde, enquanto o outro lado é a superfície da bexiga.
• Padrão de molde para criar um molde negativo: Usado quando vários moldes são desejados para aumentar a produção. Vários moldes podem ser feitos a partir de um único padrão.

Adicionar ângulo de inclinação: Dois a três graus de ângulo de inclinação positivo facilitarão a etapa de desmoldagem e aumentarão a vida útil do molde, especialmente para moldes rígidos. No entanto, o uso de um material de impressão 3D flexível, como a resina Tough 1500, pode permitir a criação de peças sem rascunho e incluir geometrias desafiadoras que não poderiam ser desmoldadas a partir de um molde rígido. Defina um raio mínimo apropriado para a espessura do seu material:isso ajuda as fibras a se alinharem nos cantos, evitando a inclusão de ar e a criar peças de qualidade repetíveis. Evite cantos íngremes e próximos, pois geometrias fluidas são mais fáceis de trabalhar do que geometrias quadradas e ousadas.

Defina um raio mínimo apropriado para a espessura do seu material:  Isso ajuda as fibras a se alinharem nos cantos, evitando a inclusão de ar e a criar peças de qualidade repetíveis. Evite cantos íngremes e próximos, pois geometrias fluidas são mais fáceis de trabalhar do que geometrias quadradas e ousadas.



Incluir marcadores e recuos de localização para moldes que exigem alinhamento preciso. Uma das grandes vantagens da impressão 3D é que ela permite complexidade na geometria do alinhamento e ajuda a fabricar projetos sensíveis ao posicionamento.

Incluir ultrapassagem de superfície: o excesso de material da superfície estendida será cortado para desenhar uma linha de corte precisa. A impressão 3D permite imprimir em excesso sem a necessidade de fabricar flashes.

Adicionar linhas de corte: A impressão 3D permite incorporar recursos de preparação precisos, como guias de perfuração, linhas de marcação para corte manual ou trilhos-guia de roteador.

Outras práticas recomendadas:

• Imprima na menor altura de camada possível para otimizar a resolução e a etapa de desmoldagem.
• Evite suportes nas faces de moldagem para melhor acabamento superficial.
• Use um agente desmoldante:isso é necessário para permitir o processo de desmoldagem.
• Para evitar a inclusão de ar:depois de mexer e misturar, espere dois minutos para que o ar saia da resina. Reitere após escovar a primeira camada de resina. Se permanecerem pequenas bolhas de ar, elas podem ser polidas e seladas no pós-processamento.

A Formula Student é uma competição anual de design de engenharia na qual equipes de estudantes de todo o mundo constroem e competem em carros estilo fórmula. A Formula Student Team TU Berlin (FaSTTUBe) é um dos maiores grupos; 80 a 90 estudantes desenvolvem novos carros de corrida todos os anos desde 2005. 

A equipe Formula Student da TU Berlin (FasSTTUBe) está construindo três veículos para a competição anual Formula Student.

Com acesso a quase toda a gama de tecnologias de fabricação, a equipe FasSTTUBe está usando a impressão 3D para três finalidades:

1. Protótipos: eles imprimem protótipos para diversas peças, como montagens da barra estabilizadora ou partes interessadas da bateria HV.
2. Moldes de fibra de carbono impressos em 3D: a equipe imprimiu uma dúzia de moldes para fabricar peças de fibra de carbono que não poderiam ser feitas de outra forma. 
3. Partes de uso final: cerca de 30 peças nos veículos finais são impressas diretamente em 3D:desde porta-botões, manípulos do volante, até mangueiras e conectores de sensores dos sistemas de refrigeração.

Neste estudo de caso, estamos analisando os detalhes da aplicação de moldagem usada para fabricar a carcaça do volante e as alças em fibra de carbono.

Reduzir o peso é essencial na construção de carros de corrida. Em um esforço para tornar as peças mais leves, eles poderiam ter impresso punhos de volante ocos, mas não seriam fortes o suficiente para suportar o aperto do motorista. A fibra de carbono é um ótimo material para reduzir o peso e ao mesmo tempo manter ou aumentar a resistência. Para poder fabricar a peça em fibra de carbono este ano, Felix Hilken, Chefe de Aerodinâmica e Fabricação de Carbono, desenvolveu um fluxo de trabalho usando moldes impressos em 3D para laminação úmida.

Equipamento necessário: 

• Impressora 3D Formlabs SLA com resina Tough 1500
• Fibra de carbono:três camadas de 200g, 3K, 0,3mm, padrão de sarja
• Desmoldante:cera e álcool polivinílico
• Resina epóxi de alta resistência
• Escova e tesoura
• Saco de vácuo, bomba de vácuo e pano de respiro
• Lixa

O punho foi fabricado em duas metades para poder desmoldar a peça. Para cada metade do punho, Felix projetou um molde de duas partes incluindo recursos que seriam difíceis de fabricar sem a impressão 3D, em particular:

• Recursos finos, como raios internos estreitos, superfícies amplas ou superfícies com raios variados
• Bordas arredondadas e apertadas que não poderiam ser desmoldadas de um molde de alumínio
• Recuos para localização de perfuração porque a peça é sensível ao posicionamento

A equipe imprimiu os moldes na impressora Form Series com resina Tough 1500 a uma altura de camada de 50 mícrons. As impressões foram lavadas por dois períodos de 10 minutos em IPA e pós-curadas por 60 minutos a 70°C. A resina Tough 1500 foi escolhida porque equilibra alongamento e módulo:as peças impressas neste material podem dobrar significativamente e voltar rapidamente à sua forma original. Esta é uma propriedade mecânica desejada para evitar a quebra do molde durante a desmoldagem.



Aplicar agente desmoldante para facilitar o processo de desmoldagem. Este é um primeiro passo crítico:se algumas superfícies não forem cobertas, a peça não se separará do molde.

1. Cubra com cera (opcional, mas recomendado)
2. Cobrir com álcool polivinílico (PVA)

Misture a resina com o endurecedor. A proporção de mistura deve ser seguida com precisão. Se estiver fora de uma pequena porcentagem da proporção alvo, a peça ficará muito mole ou apenas parcialmente curada. Siga atentamente as instruções do fabricante da resina e leia a ficha de segurança antes de usar. Com a resina Felix utilizada, o processo de polimerização inicia duas horas após a mistura da resina, restando duas horas para a operação de layup.



Aplicar resina com pincel no lado positivo do molde.



Coloque uma camada de fibra de carbono no lado positivo do molde. Certifique-se de seguir todos os contornos. A equipe usou uma fibra 3K para equilibrar a espessura e o preço da trama. Ele foi projetado especificamente para seguir contornos complexos e não possui fios de suporte.



Aplique resina na camada de carbono e repita o processo de aplicação. A resina une as camadas, formando o componente matriz da peça, e evita o realinhamento da fibra. Felix usou três camadas de fibra de carbono.



Aplique uma camada final de resina na parte negativa do molde e pressione as duas metades do molde para evitar que bolhas de ar se formem e penetrem nas fibras.



Corte o material extra com uma tesoura. 



Curar por 48 horas em saco a vácuo. Durante este processo de polimerização, o saco de vácuo retira o ar e pressiona as camadas contra o molde, à temperatura ambiente, para eliminar o excesso de resina. Ele garante uma relação volumétrica desejada entre resina e fibra, para corresponder à rigidez correta da peça.



Acabamento:lixe todas as bordas. Para limpar o molde após o processo, Felix mergulhou-o em água por cerca de 30 minutos para dissolver o PVA e depois utilizou uma lixa fina de grão 1500 para retirar os restos de resina. 

Ao usar fibra de carbono, a equipe reduziu o peso da carcaça do volante de 120g para 21g e conseguiu levar o design para geometrias que seriam extremamente difíceis de fabricar tradicionalmente. “O melhor da impressão 3D é que uma forma complexa é tão fácil de fabricar quanto uma simples, requer a mesma quantidade de trabalho e equipamento”, diz Felix.

Sem a impressão 3D, a equipe teria que terceirizar a fresagem CNC de um molde de alumínio, que é caro, demora muito tempo e requer ferramentas especializadas. “Eu usinaria o molde em CNC, precisaria de ferramentas especializadas e esperaria para conseguir uma ranhura na máquina. Mas não conseguiria nem fazer essa geometria. Em particular alguns dos cantos pequenos. Precisaria usar um projeto que não tivesse nenhum parafuso, para que a peça não fosse sensível ao posicionamento."

Pela sua estimativa, um molde impresso com resina Formlabs Tough 1500 poderia ser usado para fabricar cerca de dez peças. Por se tratar de um processo manual, depende do rigor do operador:o molde pode quebrar durante o processo de separação. No entanto, vários moldes impressos em 3D podem ser usados ​​para aumentar a produção. Outra solução para prolongar a vida útil do molde seria apoiá-lo com um molde metálico genérico. Uma inserção impressa em 3D carrega a geometria enquanto um molde metálico de apoio ajuda a manter sua forma. Isso poderia ser fabricado com uma fresadora manual simples.

A DeltaWing Manufacturing cria peças compostas para a empresa Panoz, designer e fabricante de carros esportivos de luxo exclusivos de fabricação americana.  Para fabricar componentes de fibra de carbono, a DeltaWing Manufacturing costumava usinar um padrão, fazer uma disposição ou moldar um molde nele e finalizar o molde antes de aplicar o processo de pré-impregnado para laminar a peça de fibra de carbono.

Nos últimos anos, eles começaram a usar peças impressas em 3D internamente como uma etapa intermediária nesse processo. Panoz precisava de seis unidades de duto de ar de pára-lama de fibra de carbono para um carro de corrida personalizado. A fim de reduzir a mão de obra e o tempo de entrega de sua técnica tradicional de fabricação de moldes, os engenheiros da DeltaWing Manufacturing optaram por imprimir diretamente o molde em 3D e implementá-lo em seu processo de pré-impregnado.

Equipamento necessário:

• Impressora Formlabs SLA 3D com resina de alta temperatura
• Fibra de carbono:4K, padrão bidimensional
• Desmoldante:álcool polivinílico
• Fita Kapton (poliimida)
• Resina epóxi de alta resistência
• Escova e tesoura
• Saco de vácuo, bomba de vácuo

O duto foi fabricado em duas peças distintas em dois moldes diferentes para facilitar a separação da peça final do molde e posteriormente colado. Cada molde também foi impresso em duas peças e montado em conjunto para que pudesse caber no volume de construção da impressora Form Series — no entanto, isso não seria necessário com o maior volume de construção da impressora Form 4L. As peças foram projetadas para fabricação aditiva, seguindo recomendações de projeto de molde.



DeltaWing imprimiu os moldes em resina de alta temperatura em uma impressora Form Series com altura de camada de 100 mícrons. Esta resina foi selecionada porque possui uma temperatura de deflexão térmica (HDT) de 238 °C @ 0,45 MPa, a mais alta entre as resinas Formlabs e uma das mais altas entre as resinas do mercado.

A resina de alta temperatura pode suportar altas temperaturas de cura, apresenta boa rigidez para manter a forma durante a operação e um ótimo nível de detalhes que serão traduzidos na peça final. A Formlabs recomenda lavar as impressões em resina de alta temperatura com IPA por 10 minutos, pós-cura a 80 °C por 120 minutos e depois aquecer as peças por 3 horas a 160 °C para um HDT mais alto.



A DeltaWing Manufacturing aplicou seu processo usual de pré-impregnado nos moldes impressos, usando uma fibra pré-impregnada de padrão bidimensional 4K. Cada molde foi coberto com fita Kapton para renovar a superfície a cada iteração de moldagem. A fibra foi colocada nos moldes e, em seguida, as peças foram colocadas em um saco a vácuo e curadas em autoclave antes de serem desmoldadas e recortadas. Os moldes impressos toleraram uma cura lenta a 38 °C (100 °F) por 10 horas ou, alternativamente, uma cura rápida a 126 °C (260 °F) por uma hora sem danos. Ambas as metades do duto de carbono foram ligadas em uma etapa final.



A equipe testou seis iterações para um molde sem observar qualquer degradação significativa. Estimamos que cerca de 10 a 15 iterações sejam possíveis para um molde. Como as autoclaves são usadas para aplicar calor e pressão durante a cura no processo de pré-impregnado, o molde impresso só pode suportar algumas iterações. Portanto, esse método não é recomendado para produção de grandes volumes, mas é uma ótima maneira de produzir lotes de pequenas tiragens e peças personalizadas em massa. Isso permite uma ampla gama de aplicações, como equipamentos esportivos de alto desempenho, ferramentas personalizadas para o setor aeroespacial ou próteses personalizadas exclusivas para pacientes na área da saúde. 

Há uma forte demanda por fluxos de trabalho que combinem a resistência, a durabilidade e a robustez das peças tradicionais de fibra de carbono com a agilidade, as possibilidades geométricas e a repetibilidade da impressão 3D. Portanto, não é surpreendente que existam muitas empresas de impressão 3D que oferecem impressão 3D em fibra de carbono, sendo os dois processos atualmente disponíveis a impressão com fibras cortadas ou fibras contínuas.

Usando fibras de carbono picadas, Nylon 11 CF Powder para a impressora 3D industrial de sinterização seletiva a laser (SLS) Fuse 1+ 30W permite que os fabricantes criem peças fortes, leves e resistentes ao calor, sem depender de métodos tradicionais de sobreposição ou usinagem. 



O Pó Formlabs Nylon 11 CF é forte, leve e resistente ao calor, tornando-o ideal para aplicações automotivas, aeroespaciais e de manufatura.



A fabricação de polímeros reforçados com fibra é um processo emocionante, porém complexo e trabalhoso. O uso de moldes e padrões impressos em 3D para fabricar peças de fibra de carbono permite que as empresas reduzam a complexidade do fluxo de trabalho, expandam a flexibilidade e as oportunidades de design e reduzam custos e prazos de entrega. 

Para peças impressas diretamente em 3D que oferecem muitos dos benefícios da fibra de carbono, com as vantagens adicionais de flexibilidade geométrica e um processo mais simples e eficiente, existem materiais como Formlabs Nylon 11 CF Powder para as impressoras 3D Fuse Series SLS. 

Para discutir sua aplicação e descobrir a melhor abordagem para usar a impressão 3D em peças de fibra de carbono, entre em contato com nossa equipe.