Być może zauważyłeś, że coraz więcej firm tworzy kompozyty do drukowania 3D do produkcji części. Mimo że ten termin jest coraz częściej stosowany, wciąż możesz się zastanawiać, co to właściwie jest materiał kompozytowy i dlaczego jest on stosowany w produkcji przyrostowej .
Co ciekawe, IDTechEx opublikował badanie na rynku kompozytowych drukarek 3D, które pokazuje, że w ciągu najbliższych dziesięciu lat oczekuje się, że będzie wart 1,73 miliarda dolarów – jest to co najmniej imponujący wzrost!
Zasadniczo nawet beton można uznać za kompozyt, ponieważ jest to materiał złożony z wielu różnych materiałów. Jednak termin ten jest najczęściej stosowany z inżynieryjnego punktu widzenia, co oznacza, że mówimy o materiale wzmocnionym włóknami. Mimo że włókna są bardzo korzystne w połączeniu z innym materiałem, prawie nigdy same, nie są używane do stworzenia kawałka. Zamiast tego dodaje się je do materiału matrycowego w postaci krótkich włókien lub w postaci ciągłego wzmocnienia włókien . Jednym z najbardziej popularnych włókien w branży druku 3D jest włókno węglowe, ponieważ ma jeden z najwyższych współczynników wytrzymałości do masy.
Część drukowana 3D z wykorzystaniem wzmocnienia z włókna węglowego, co powoduje wyższy stosunek wytrzymałości do masy i mniejsze zużycie materiału | Źródło: 9TLabs
Po co wzmacniać materiał włóknami?
Kompozyty są niezwykle korzystne przy wytwarzaniu lekkich, ale mocnych części. Włókna zwiększają wytrzymałość części bez zwiększania ciężaru. Jak wspomniano, istnieją dwa rodzaje wzmocnień: włókno krótkie lub włókno ciągłe . W pierwszym przypadku posiekane włókna, które składają się z segmentów o długości mniejszej niż milimetr, są mieszane w tradycyjne tworzywa termoplastyczne w celu zwiększenia sztywności i, w mniejszym stopniu, wytrzymałości elementów. Siekane włókna można mieszać z tworzywami termoplastycznymi, takimi jak nylon, ABS lub PLA . Każdy producent doda i zmiesza inną ilość krótkich włókien do swojego polimeru z tworzywa sztucznego, w wyniku czego szpule z włóknami mają różne wytrzymałości. Należy również pamiętać, że na jakość wydruku wpłynie ilość ciętych włókien. Powyżej pewnego progu, część drukowana na drukarce 3D straci dobre wykończenie powierzchni.
Najwyższą wydajność zapewnia ciągłe wzmocnienie włókien. Proces wytwarzania ciągłych części kompozytowych z włókien nie jest tak łatwy, jak części z kompozytów z krótkich włókien, ponieważ włókna muszą być stale integrowane z materiałem termoplastycznym podczas wytłaczania materiału termoplastycznego. Włókna można również osadzać zgodnie z technikami projektowania, które optymalizują stosunek wytrzymałości części do masy i zużycia materiału, znanymi również jako techniki DfAM (Design for Additive Manufacturing) . Producenci twierdzą, że dzięki ciągłemu wzmocnieniu włóknami można tworzyć części tak mocne jak metal.
Pod względem dostępnych włókien na rynku włókno węglowe jest bez wątpienia najbardziej popularne. Włókno szklane, popularny rodzaj tworzywa wzmocnionego włóknem szklanym z użyciem włókna szklanego i Kevlaru, odpornego na ciepło i mocnego włókna syntetycznego, jest również szeroko stosowane w branży. Włókno szklane jest opłacalnym materiałem zwiększającym wytrzymałość tworzyw sztucznych, a Kevlar ma wysoką odporność na uderzenia, ponieważ zgina się zamiast pękać.
Oprogramowanie Anisoprint może generować różne rodzaje wypełnień ciągłych wzmacnianych włóknami | Źródło: Anisoprint
Jakie są technologie na rynku?
Możliwość drukowania za pomocą materiałów wzmacniających, była celem wielu startupów w sektorze druku 3D. W ostatnich latach zauważyliśmy rosnącą liczbę maszyn i technologii wprowadzanych na rynek w celu umożliwienia nowych zastosowań, szczególnie w sektorach przemysłowych, takich jak przemysł lotniczy i motoryzacyjny.
Zasadniczo technologia różni się w zależności od rodzaju kompozytu, o którym mówimy. Kompozyty z krótkimi włóknami można wytłaczać w normalnym procesie FDM, ponieważ filament zawiera już włókno. Z drugiej strony, ciągłe drukowanie włókien 3D jest trudniejszym procesem, który wymaga dwóch dysz do drukowania w tym samym czasie. Zwykle jedna dysza wytłacza tworzywo termoplastyczne, a druga włókno. Różni producenci sprzedają swoją technologię pod różnymi nazwami, jednak pomysł jest mniej więcej taki sam.
Po lewej stronie widać krótkie włókna, które składają się z segmentów o długości mniejszej niż milimetr. Po prawej włókno zostało wzmocnione przez te krótkie włókna. | Źródło: Markforged
Na przykład Markforged nazywa to Continuous Filament Fabrication (CFF), podczas gdy Anisoprint nazywa to Composite Fibre Coextrusion (CFC). Niedawno Desktop Metal również dołączył do wyścigu, aby zaspokoić popyt na tę technologię, wprowadzając nowy system o nazwie Fibre . Fibre wykorzystuje technologię Micro Automated Fibre Placement (μAFP), która polega również na dwóch głowicach drukujących w celu ciągłego wzmacniania wytłaczanego tworzywa termoplastycznego. Ciekawą technologią jest zastrzeżony przez AREVO proces oparty na technologii Directed Energy Deposition , w której laser służy do ogrzewania włókna i włókna węglowego w tym samym czasie, gdy wałek ściska je razem.
Impossible Objects i EnvisionTEC dodały również systemy do ciągłego drukowania światłowodowego 3D w swoich maszynach, jednak technologia ta nieco się różni. Tkają arkusze z włókna węglowego w nadruk za pomocą procesu laminowania. Wreszcie, Continuous Composites wykorzystuje technologię hybrydową, w której pasmo włókna jest nasiąknięte żywicą, a następnie utwardzone za pomocą światła UV, podobnie jak w druku 3D SLA .
Desktop Metal wprowadził Fibre, ciągłą drukarkę światłowodową 3D, aby zaspokoić rosnące zapotrzebowanie na tę technologię | Źródło: Desktop Metal
Kim są uczestnicy rynku i jakie są aplikacje?
Szybko pojawiają się nowi aktorzy na tym rynku, na przykład młody 9T Labs z siedzibą w Szwajcarii stworzył system dodatkowy do zwykłych drukarek 3D, aby umożliwić ciągłe drukowanie włókien 3D. Nazywają to procesem drukowania 3D Technologia Additive Fusion (AFT); wzmocnienie jest wykonane z materiału wypełnionego węglem, a nie dokładnie czystych włókien węglowych. Oczywiście usłyszysz o głównych aktorach sektora, w tym CEAD, Markforged, Anisoprint lub Roboze. EnvisionTec, Impossible Objects i Desktop Metal również dodały systemy, które umożliwiają ciągłe drukowanie włókien 3D w swoich maszynach. W przypadku kompozytów z krótkimi włóknami producenci filamentów to Roboze, 3DXTech, ColorFabb itp.
Rama rowerowa AREVO została stworzona przy użyciu ciągłego drukowania 3D włókien Źródło: AREVO
Jak wspomniano, materiały wypełnione włóknem węglowym są najbardziej rozpowszechnionymi kompozytami w branży druku 3D, szczególnie do wymagających zastosowań, takich jak funkcjonalne prototypy, części samochodowe, lekkie komponenty itp. Są one również dodawane do materiałów technicznych, na przykład w zeszłym roku badacze w Chiny badały korzyści z dodania włókna węglowego do wysokowydajnych tworzyw termoplastycznych, takich jak PEEK .
Rynek kompozytów rośnie, a nowe kombinacje materiałów umożliwią nowe zastosowania. Nie zapominajmy, że Sandvik stworzył pierwszy kompozyt diamentowy w zeszłym roku. Zazwyczaj diament jest niemożliwy do zastosowania w produkcji addytywnej, ponieważ jest zbyt twardy, jednak poprzez utworzenie kompozytu diamentowego właściwości tego materiału można wykorzystać do wielu odpornych narzędzi (górnictwo, wiercenie lub obróbka skrawaniem), a także implantów medycznych!
Kompozyt diamentowy stworzony przez Sandvik
* Źródło głównego zdjęcia: SABIC
Źródło: https://www.3dnatives.com/
