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Qual è la differenza tra Kevlar e fibra di carbonio?


Il Kevlar e la fibra di carbonio sono casi interessanti di studio e innovazione, in questo articolo scopriremo la differenza tra questi due materiali, utilizzati per offrire robustezza, peso e rigidità eccezionali delle parti nella produzione additiva.

Il Kevlar‍

Qual è la prima cosa che ti viene in mente leggendo la parola Kevlar? La maggior parte delle persone penserebbe ai giubbotti antiproiettile, in realtà è un materiale sviluppato da DuPont™ nel 1964 dalla ricercatrice Stephanie Kwolek.

Si tratta di una fibra sintetica resistente al calore, che rientra nel gruppo delle fibre aramidiche, di cui fa parte anche il Nomex. A differenza della fibra naturale che deriva da organismi viventi, quella sintetica viene creata interamente dall'uomo in laboratorio e realizzata per estrusione tramite una filiera.

Ha un carico di rottura simile alla fibra di carbonio, un modulo di elasticità a metà tra quest'ultima e la fibra di vetro e una densità (cioè il peso e le dimensioni del pezzo finito) minore rispetto a entrambe.

Le applicazioni del Kevlar

Il Kevlar è utilizzato per la realizzazione di materiali compositi ad alte prestazioni, laddove sono necessarie caratteristiche come leggerezza, rigidità, resistenza agli urti e all'usura.

Utilizzabile come rinforzo ai materiali di base come l'Onyx, Onyx FR e il Nylon bianco, permette di creare parti estremamente versatili.

Le sue principali applicazioni rientrano nei settori più svariati. Ecco gli utilizzi più noti:

  • giubbotti antiproiettile
  • capi antinfortunistici
  • elemento strutturale nel telaio o nella carrozzeria di auto o moto
  • cinghie di distribuzione
  • tubazioni dei freni a disco
  • funi
  • Rinforzi nell'abbigliamento tecnico per motociclisti
  • gomme di auto e biciclette
  • cavi di fibra ottica

Le caratteristiche del Kevlar

Il Kevlar non mostra segni di deterioramento, né subisce alcun danno anche in ambienti a basse temperature (-196°C) e con radiazioni di elettroni.

Markforged Kevlar filament
Filamento di Kevlar Markforged
Il Kevlar ha anche un intervallo di deformazione plastica molto lungo e quando si danneggia, lo fa un filo alla volta, quindi si piegherà oppure cederà, invece di spezzarsi.
Ha un processo di rottura molto più prevedibile rispetto ad altre fibre come la fibra di carbonio.ABS vs PLA vs Kevlar
Guarda il video: parti in ABS (blu), PLA (rosso) e Onyx rinforzato con Kevlar (nero) colpite con un martello
Kevlar tests
Guarda il video in slow motion: le fibre Kevlar messe alla prova, minuto 2:00 (Science Channel, 2017).

Altre proprietà del Kevlar

  • basso allungamento
  • alto carico di rottura
  • rapporto carico di rottura/peso molto alto
  • eccellente resistenza alla fatica
  • buone prestazioni su un ampio intervallo di temperature
  • non si scioglie; si decompone a 427°C - 482°C
  • basso creep
  • nessun ritiro
  • buona stabilità chimica
  • alta resistenza all'abrasione
  • debole forza di compressione in direzione trasversale

Resistenza all'impatto

Il Kevlar è 8 volte più resistente dell'ABS pur essendo il 15-20% più leggero delle fibre di vetro e carbonio.

Kevlar impact resistance

 

Resistenza alla flessione

Nella flessione a 3 punti, il Kevlar stampato in 3D è 3 volte più forte dell'ABS e 6 volte di più del nylon.

Kevlar flexural strength

 

Rigidezza alla flessione

Il kevlar stampato in 3D è 12 volte più rigido dell'ABS e 30 volte in più rispetto al nylon.

 


I materiali compositi nella stampa 3D sfruttano la forza di compressione della matrice in plastica e il carico di rottura delle fibre integrate.

Se combinate, lavorano in sinergia per formare un composito più forte sia nella compressione che nella tensione.

Adesso, vediamo insieme la fibra di carbonio

Fibra di carbonio

Markforged carbon fiber filament
Filamento di fibra di carbonio

La fibra di carbonio è composta da atomi di carbonio organizzati in una struttura cristallina. Presenta uno dei più elevati rapporti resistenza/peso, migliore persino di acciaio e titanio.  

Le applicazioni della fibra di carbonio

La fibra di carbonio può essere utilizzata per un'ampia varietà di applicazioni, nei settori aerospaziale, automotive, architettura, costruzione, beni di consumo, medico, energia, difesa, elettronica e macchinari industriali, tra cui:

  • Robotica
  • Effettori finali, pinze e ganasce
  • Apparecchiature di ispezione, maschere di saldature e apparecchiature CMM
  • Biciclette e componenti
  • Applicazioni nel settore del motorsport

Le proprietà della fibra di carbonio

Rapporto resistenza/peso

Rispetto all'alluminio 6061, la fibra di carbonio stampata in 3D ha un rapporto resistenza/peso più alto del 50% in flessione e del 300% in tensione.

Carbon fiber strength-to-weight ratio

Resistenza alla flessione

Nella flessione a 3 punti, la nostra fibra in carbonio stampata in 3D è 8 volte più forte dell'ABS e 20% più forte della performance dell'alluminio. 

Carbon fiber flexural strength

 

Rigidità a flessione

Il filamento in fibra di carbonio stampato in 3D è 25 volte più rigido dell'ABS e due volte più rigido della fibra di vetro, del Kevlar e della fibra di vetro per alte temperature. 

Carbon fiber flexural stiffness

Altre proprietà della fibra di carbonio

  • ha lo stesso limite di snervamento dell'alluminio 6061 
  • inizia a cedere allo stesso livello di sollecitazione in cui l'alluminio inizia a deformarsi
  • ritorna alla sua forma originale dopo la rimozione del carico mentre l'alluminio rimane deformato
  • è conduttivo
  • è resistente alla corrosione e al calore
Carbon Fiber
Link: Per fare un esempio concreto, il peso supportato di 22.200 pounds (10.070 kg ca.) equivale a sollevare 3 Ford F150. 

Le proprietà incredibili della fibra di carbonio vengono sfruttate in sostituzione al metallo per applicazioni dove il risparmio di peso è fondamentale.

Robustezza, leggerezza e rigidità delle parti

La fibra di carbonio e il Kevlar, insieme alla fibra di vetro e alla fibra di vetro per alte temperature, vengono impiegati come rinforzi ai materiali di base Nylon o Onyx nelle stampanti 3D di Markforged,  che puntano sull'utilizzo di materiali innovativi e performanti per liberare il potenziale della produzione additiva.

Potrai sviluppare parti sicure, forti, rigide, leggere, resistenti all'ambiente e alle condizioni di caricamento e, grazie al processo CFF (Continuous Filament Fabrication), di cui Markforged detiene il brevetto, potrai aggiungere fibra continua dov’è richiesta una maggiore resistenza meccanica.

Adatte per l'ufficio Tecnico, R&D e reparti produttivi industriali, la serie Desktop e la serie Industrial delle stampanti 3D Markforged soddisfano anche le necessità delle aziende medio piccole.


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Postato da Simone Azzellini

Consulente commerciale 3D Printing
Nuovamacut Automazione Spa

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