Kevlar®와 탄소 섬유의 차이점은 무엇입니까?

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케블라 ‍

케블라라는 이름을 들으면 어떤 생각이 드시나요? 대부분의 사람들은 방탄 조끼를 생각합니다. DuPont™을 생각하지 않을 수도 있지만 이 물질은 1964년 폴란드계 미국인 화학자 Stephanie Kwolek에 의해 DuPont™에 의해 개발되었습니다.

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Kevlar가 산업 전반에 걸쳐 다양한 용도로 사용된다는 사실을 알고 계셨습니까? 다음과 같은 일상적인 애플리케이션에서 찾을 수 있습니다.

- 자동차 및 자전거용 타이어

- 웨이트용 접시

- 돛과 밧줄

- 장갑, 양말 및 수하물

- 작업 부츠

- 브레이크 패드

- 보호 장비

- 실런트

케블라는 아라미드 섬유 그룹에 속하는 합성 섬유로 내열성이 있습니다. Kevlar와 Nomex는 이 그룹의 일부입니다. 합성 섬유는 생물체에서 유래한 천연 섬유와 달리 화학적 합성을 통해 합성된 섬유입니다. 합성 섬유는 섬유 형성 물질을 방사구를 통해 압출하여 섬유를 형성함으로써 생성됩니다.

Kevlar는 주로 광섬유 케이블, 섬유 가공, 로프, 케이블, 플라스틱 보강재 및 항공 우주, 자동차, 방위, 에너지, 소비자, 전자 제품, 의료 및 중공업을 위한 복합 응용 분야에 사용되는 고탄성률 유형을 가지고 있습니다. 해군 시설 엔지니어링 사령부는 해양 엔지니어링 및 건설에 사용할 Kevlar 로프 기능을 탐구하여 Kevlar의 놀라운 인장 강도와 부력으로 제공되는 혁신적인 설계 및 응용 프로그램을 제공했습니다. 케블라 섬유는 탄소 섬유에 필적하는 인장 강도, 유리와 탄소 섬유 사이의 모듈러스 및 둘 다보다 낮은 밀도를 가지고 있습니다.

케블라 아라미드는 경량, 고강도 및 강성, 내손상성, 피로 및 응력 파열에 대한 내성이 중요한 고성능 복합재 응용 분야에 사용됩니다. Markforged는 Onyx, Onyx FR 및 나일론 화이트를 Kevlar로 강화하면 엔지니어와 부품 설계자가 매우 다양한 부품을 만들 수 있다는 사실을 알게 되었습니다. Kevlar는 320°F(-196°C)만큼 낮은 저온 환경에서 상당한 변화를 겪을 수 있으며 취성 또는 열화를 나타내지 않으며 전자 방사선이 있는 환경에서는 전자 방사선이 Kevlar에 해롭지 않습니다. 그러나 Kevlar는 UV(자외선) 빛에 민감합니다.

설계자는 연속 섬유로 인쇄하여 안전하고, 강하고, 뻣뻣하고, 가벼우며, 환경, 적용 및 하중 조건에 내성이 있는 부품을 개발할 수 있습니다. CFF(Continuous Filament Fabrication) 공정으로 부품을 설계함으로써 설계자는 강선보다 8배 이상 큰 Kevlar의 인장 강도(신장 또는 당김)를 활용할 수 있습니다.

CFF로 강화하면 모든 설계자가 금속 강도의 복합 부품을 만들고 부품의 내구성(수명)을 늘리고 가장 필요한 위치에서 부품의 강도를 최적화할 수 있습니다. Kevlar는 또한 소성 변형 범위가 매우 길며 실패할 경우 한 번에 한 가닥씩 움직이며 부러지는 대신 구부러지거나 넘어집니다. 탄소 섬유와 같은 다른 섬유에 비해 훨씬 더 예측 가능하고 용서 가능한 고장 모드가 있습니다.

케블라 섬유의 고유한 특성:

- 매우 낮은 신축성

- 높은 인장 강도

- 매우 높은 강도 대 중량 비율

- 우수한 내피로성

- 넓은 온도 범위에서 우수한 성능

- 녹지 않음; 800°F - 900°F(427°C - 482°C)에서 분해됩니다.

- 낮은 크리프

- 수축 없음

- 우수한 화학적 안정성

- 높은 내마모성

- 횡방향 강도 약함(압축강도 약함)

- 모든 Markforged 필라멘트 중 가장 치명적인 고장 모드

충격 저항

Kevlar는 ABS보다 8배 더 충격에 강하고 다른 강화 섬유보다 15-20% 더 가볍습니다.

굴곡 강도

3점 굽힘에서 3D 인쇄된 케블라는 ABS보다 3배, 나일론보다 6배 더 강합니다.

굴곡 강성

3D 인쇄된 케블라는 ABS보다 12배, 나일론보다 30배 더 단단합니다.

Kevlar는 내구성이 우수하여 반복적이고 급격한 하중이 가해지는 부품에 최적입니다. 유리 섬유만큼 단단하고 훨씬 더 연성이 있어 다음과 같이 적층 제조에 맞게 조정된 다양한 응용 분야에 사용할 수 있습니다.

- 운동화

- 로봇 공학 및 요람

- 엔드 이펙터/그리퍼

- 스마트폰 케이스, 개인 전자기기

- 유압 또는 공압으로 구동되도록 설계된 부품

- 보호 장비, 헬멧; 전투, 오토바이

- 브레이크 레버, 클램프, 마운트

- 고정 장치, 도구, 작업 고정 장치, 부드러운 턱

- 기어, 렌치, 드론

- 스포츠 용품 및 액세서리, 카라비너

- 최종 사용 부품, 소비재 등...

Dixon 밸브 그리퍼는 Onyx로 인쇄되고 Kevlar로 강화됩니다. 재료는 클램핑력을 전달할 수 있을 만큼 충분히 강하고 반복적인 로딩 주기를 통해 내구성이 있으며 밸브에 손상이 없어야 합니다.

3D 프린팅의 복합 재료는 플라스틱 매트릭스의 압축 강도(부품 부피의 대부분을 구성하는 지지 구조)와 내장된 섬유의 인장 강도를 활용합니다. 이 두 재료는 상호 의존적입니다. 섬유가 없으면 플라스틱 부품은 압출된 플라스틱 스트랜드 내부 및 사이의 접착력만큼만 강합니다. 매트릭스가 없으면 섬유는 구조가 없으므로 모양이 유지되지 않습니다. 매트릭스는 섬유가 하중에 대해 안정화하는 레버 암을 갖도록 공간을 만듭니다. 결합하면 압축과 인장 모두에서 개별적으로 제공할 수 있는 것보다 더 큰 강도를 가진 합성물을 형성하기 위해 시너지 효과를 냅니다. 이것은 우리의 모든 섬유에 해당됩니다. 케블라, 탄소 섬유, 유리 섬유 및 HSHT 유리 섬유.

이제 탄소 섬유에 대한 이해를 조금 더 살펴보겠습니다.

탄소 섬유

탄소 섬유 필라멘트는 결정 구조로 구성된 탄소 원자로 구성됩니다. 매우 높은 강성과 강도로 인해 항공 우주 및 자동차 산업에서 널리 사용됩니다. 강철과 티타늄보다 높은 중량 대비 강도 비율이 가장 높은 제품 중 하나입니다.

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강도 대 중량 비율

6061 알루미늄과 비교하여 3D 인쇄된 탄소 섬유는 굴곡에서 50% 더 높은 무게 대비 강도 비율과 300% 더 높은 인장력을 가지고 있습니다.

굴곡 강도

3점 굽힘에서 당사의 3D 인쇄 탄소 섬유는 ABS보다 8배, 알루미늄보다 20% 더 강합니다.

굴곡 강성

3D 인쇄된 탄소 섬유 필라멘트는 ABS보다 25배 더 단단하고 Markforged의 나머지 강화 섬유보다 2배 더 단단합니다.

탄소 섬유 소재 특성:

• Markforged 3D 인쇄 탄소 섬유는 6061 알루미늄의 항복 강도와 동일합니다.
• 같은 응력에서 실패 알루미늄은 에서 소성 변형을 시작합니다.
• 알루미늄이 소성 변형되는 동안 탄소 섬유는 하중을 제거하면 원래 모양으로 돌아갑니다.
• 고강성 및 고강도
• 전기 전도성
• 부식성 및 내열성
• 파절될 때까지 뻣뻣함(고장이 갑작스럽고 예측할 수 없음)
• 이상적인 하중은 일정하며 알려진 힘을 항상 지지합니다.
  

탄소 섬유의 놀라운 특성으로 인해 무게 절감이 중요한 응용 분야에서 금속 대체재로 사용할 수 있습니다. 이제 모든 산업에서 탄소 섬유로 CFF를 활용하고 믿을 수 없을 정도로 강력한 부품을 인쇄할 수 있습니다. 또한 제너레이티브 디자인은 Markforged CFF와 결합될 때 디자이너가 여러 최적화된 솔루션을 탐색하고 디자인 및 강점 관점 모두에서 사용에 적합한 최상의 디자인을 선택할 수 있는 이점을 제공합니다.

탄소 섬유는 다양한 응용 분야에 사용할 수 있습니다. 항공우주, 자동차, 건축 및 건설, 소비재, 의료, 에너지, 방위, 전자, 산업 기계 등 3차원 적층 제조용으로 맞춤 제작되었으며 이 목록은 끝이 없으므로 몇 가지만 소개합니다.

• 로봇 및 로봇 팔
• 엔드 이펙터, 그리퍼 및 소프트 조
• 검사 설비, 용접 설비 및 CMM 설비
• 성형 도구
• 자전거 및 관련 부품
• 고급 모터스포츠 애플리케이션

연속 탄소 섬유 필라멘트로 강화된 3D 인쇄 로봇 팔인 Haddington Dynamics의 사용 사례를 살펴보십시오. 로봇 팔은 50미크론의 정밀도를 가질 수 있을 만큼 충분히 강하고 가볍습니다. 회사는 탄소 섬유 3D 프린터를 사용하여 부품 수를 800개에서 70개로 줄일 수 있었습니다.

귀하의 응용 분야에 가장 적합한 강화 섬유에 대한 추가 도움이나 조언이 필요하면 당사에 연락하십시오. 오늘 Kevlar 또는 탄소 섬유 샘플을 요청하십시오.