Не типичные материалы в 3D-печати – композиты из углеродного волокна
Все чаще и чаще говорят об использовании углеродного волокна в 3D-печати. Очень трудно совместить производство ламинатов (не только из углеродных волокон) с наращиванием производства. В этой статье о не типичных материалах для 3D-печати я попытаюсь объяснить, почему нить с углеродным волокном имеет мало общего с «настоящими» композитами из углеродного волокна, а также я представлю устройства для печати композитов с волокнами.
Следует начать с того, как изготавливать композиты из углеродного волокна, например, в автомобильной и аэрокосмической промышленности. И лучше всего то, как сделаны углеродные волокна. Их предшественниками являются полимеры, чаще всего полиакрилонитрил.
Волокна образуются из предшественника, что вызывает параллельное расположение молекул полимера. Затем волокна нагревают в многостадийном процессе, который удаляет атомы, отличные от углерода, из структуры. Полученные углеродные волокна создают ткани, которые укладывают слоями в форму, комбинируя все со смолой. Затем нужно подождать, пока смола затвердеет (обычно элемент греется в автоклаве), и после окончательной обработки (шлифование кромки, сверление отверстий и т.д.) деталь готова.
Альтернативным методом является выдавливание элементов из смеси рубленого углеродного волокна и смолы (Carbon Fiber Sheet Molding Compound) на несколько сантиметров. Поскольку такой материал легче адаптировать к пресс-форме, его использование позволяет упростить весь процесс и сэкономить много времени. Процесс основан, среди прочего, на Технологии кованых композитов, разработанная совместно Lambroghini и Callaway Golf Company и использовавшаяся первоначально для производства многих элементов сверхлегкого Sesto Elemento (шестой элемент, то есть уголь). Куски рубленого углеродного волокна выглядят не так, как ткани, и имеют меньшую прочность.
Хорошо, но как это осуществить с помощью 3D-печати? Стандартные принтеры, работающие по технологии FDM или SLA / DLP, конечно, не способны воспроизводить структуру ламинатов из тканых листов или даже элементов из спеченных нитей из углеродного волокна. Нити с углеродным волокном, как обычно, подчеркивают сами производители, они позволяют изготавливать армированные пластиковые элементы, добавляя порошок углеродного волокна, а не элементы из углеродных композитов в традиционном смысле. Самые популярные пластмассы ( PLA , PETG , нейлон , ABS , поликарбонат или PEEK) доступны в версии, усиленной углеродным волокном, содержание которого обычно колеблется от десятка до 30 процентов. Чем выше его содержание, тем труднее печатать, но даже нити с десятками процентов примесей волокон забивают головку и вызывают ее быстрый износ. Материалы этого типа доступны не только в форме нити накала, но также в виде гранул, которые используются некоторыми крупноформатными принтерами, например, BAAM.
Альтернативой печати из пластика, армированного FDM, может быть печать из рубленых волокон в технике DIW. В прошлом году исследователи из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) описали принтер, который позволял печатать составные части из коротких углеродных волокон и смолы (дюропласт). Преимущество этого метода заключается в упорядоченном (параллельном) расположении волокон, вытянутых из сопла, что должно обеспечить гораздо большую прочность, чем в случае элементов со случайным размещением (как это обычно происходит в случае печати FDM).
Элементы, напечатанные из армированных нитей, характеризуются более высокой прочностью, чем детали из чистого пластика, но далеко от стандартных композитов. Это связано с более низким содержанием углеродных волокон и их очень короткой длиной. Кроме того, для производства традиционных композитов используются термореактивные полимеры, поэтому они обычно устойчивы к очень высоким температурам, чего нельзя сказать о распечатках FDM (хотя термопластичные полимеры также имеют свои преимущества, включая более легкий ремонт и переработку). ,
Альтернативой печати из пластика, армированного FDM, может быть печать разреза из рубленых волокон в технике DIW. В прошлом году исследователи из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) описали принтер, который позволял печатать составные части из коротких углеродных волокон и смолы (дюропласт). Преимущество этого метода заключается в упорядоченном (параллельном) расположении волокон, вытянутых из сопла, что должно обеспечить гораздо большую прочность, чем в случае элементов со случайным размещением (как это обычно происходит в случае печати FDM).
До сих пор никто не смог разработать метод печати с добавлением углеродных волокон (или других) на основе технологии SLA или DLP. Это связано от агрегации и осаждения волокон, плотность которых выше плотности смолы. Работа с суспензией микроскопических углеродных волокон также может быть более вредной, чем печать армированной волокном нити. Обычно при работе с этим типом материала следует помнить, что контакт с пылью из углеродных волокон (и других) может вызвать раздражение дыхательной системы, кожи и глаз., Кроме того, хотя диаметр углеродных волокон превышает 5 мкм и они слишком велики, чтобы накапливаться в легких, волокна, обработанные механически или термически, распадаются на более мелкие, и их вдыхание может иметь последствия, аналогичные вдыханию асбестовых волокон.
Конечно, возможности инкрементных методов не заканчиваются пластмассами, усиленными короткими кусочками волокон. С начала текущего десятилетия несколько компаний разрабатывают технологию 3D-печати для материалов, армированных сплошными волокнами, то есть тех, которые имеют структуру и свойства, которые больше похожи на композиты с тканым углеродным волокном.
Производитель, наиболее часто идентифицируемый с технологией 3D-печати композитов из углеродного волокна с использованием непрерывных нитей, является Markforged. Он также известен недавно завершенным процессом Desktop Metal по использованию патентов DM, связанных с 3D-печатью металлов. Возвращаясь к теме – в 2014 году Markforged представила революционный принтер Mark One , позволяющий печатать элементы из PLA или нейлона, армированные сплошными углеродными или стеклянными волокнами. Устройство, показанное в то время, было оснащено двумя экструдерами, чередующимися слоями термопластика и волокон (технология, называемая CFF или Continuous Filament Fabrication).
Принтер также оборудован рабочим столом специальной конструкции, который, по словам производителя, ограничивает перепад высот после повторного монтажа до 10 микрометров и устраняет необходимость выравнивания. Цена, предложенная Mark One (5000 $), была вполне доступной, учитывая сложность конструкции.
В настоящее время предложение производителя включает настольные принтеры Onyx One (только с термопластичной головкой), Pro (с дополнительной головкой для стекловолокна) и Two (с головкой для разных волокон) и серию промышленных принтеров: X3, X5 и X7 (дополнительные опции модели). они аналогичны настольным принтерам). Производитель предлагает собственную нейлоновую нить, армированную углеродным волокном ( Onyx ), а также предлагает различные волокна для принтеров Onyx Two и X7 (углерод и стекловолокно, жаропрочное стекловолокно и кевлар).
Еще один игрок на арене 3D-печати из композитов непрерывных волокон – это Arevo Labs . Система Arevo использует промышленного робота с головкой, размещенной на конце руки, и вращающимся столом. Компания не предоставляет слишком много подробностей о ее конструкции, известно, что головка питает волокна, покрытые термопластом, а для нагрева используется лазер (метод прямого нанесения энергии). Несколько лет назад Арево представил свою работу по технике печати на нити, армированной углеродным волокном, которая характеризуется параллельным расположением фрагментов волокна после печати (как в вышеупомянутом принтере LLNL). Можно предположить, что принтер, с использованием которого Arevo недавно напечатал композитную раму велосипеда, является продолжением этих решений.
Очень интересная технология имеет Continuous Composites (CC). Запатентованная компанией технология CF3D (Continuous Fiber 3D Printing) также использует роботизированную руку с головкой, размещенной на конце, но она отличается использованием отверждаемой ультрафиолетом смолы вместо термопластов. Кроме того, устройство может печатать прототип смолы со встроенными волокнами разного типа – не только углеродного волокна, стекло и кевлара, а также волоконно – оптических кабелей и меди или сплава, известного как нихромовой сопротивления. CF3D обеспечивает очень эффективную печать в воздухе, а также для укладки волокон в любом направлении (даже в вертикальном направлении). CC сотрудничает с Autodesk и Comau (производитель роботов и систем промышленной автоматизации, принадлежащих группе FCA.
Практически идентичный метод развивает итальянские разработчики предлагая отпечатки по запросу. Это происходит из проекта Atropos , разработанного + LAB , лабораторией 3D-печати, действующей в Миланском политехническом университете. Итальянцы также используют промышленного робота, их метод жидкостного осаждения (LDM) таким же образом, как CF3D полагается на печать жидкой отверждаемой смолы светом сразу после выхода из головки, а также позволяет печатать волокна, встроенные в смолу. Более того, мои коллеги также работают с Autodesk и Comau. + LAB была основана в 2013 году, и работа над методом, вероятно, была начата позже, тогда как первая патентная заявка, связанная с методом CF3D, была подана уже в 2012 году (в США).
Еще одна идея пространственной печати из композитных материалов – «Невозможные объекты». В отличие от остальных, в их технологии CBAM (технология изготовления добавок на основе композитов) используются листы из углеродного волокна. Метод очень четко описан на сайте производителя . Сначала принтер (не 3D) печатает соответствующую форму на листе, после чего ткань покрывают термопластичным полимерным порошком и удаляют лишний порошок из мест, которые не были склеены. Подготовленные таким образом листы укладывают слоями и прессуют, что приводит к сборке ткани из углеродного волокна в областях, покрытых полимером. Наконец, несвязанные фрагменты ткани удаляются механически или химически.
Первая модель производителя, Model One, может печатать из комбинации углеродного или стекловолокна с PEEK или нейлоном. В следующем году они будут включать композиты с эластомерами. На своем веб-сайте Impossible Objects заявляет, что технология CBAM – единственная, которая позволяет печатать из текстиля и термопластов:
«Наша запатентованная технология CBAM является единственной« AM », которая сочетает в себе ткани с длинными волокнами (в отличие от коротких рубленых волокон) из углерода или стекла с высокопроизводительными термопластичными матричными материалами для создания композитных деталей. Длинное волокно (волокна длиной не менее 12 мм) также может предложить улучшенные характеристики прочности, ударной вязкости и долговечности,
Печать с непрерывными волокнами также позволяет использовать устройства Markforged, хотя они не позволяют создавать композитные ткани, это факт. Тем не менее, на конференции RAPID 2016 в ОрландоEnvisionTEC продемонстрировал SLCOM – промышленное устройство, способное печатать композиты из текстиля и термопластов (с использованием предварительно пропитанных тканей). Способ изготовления элементов с помощью текстильных принтеров не сильно отличается от классических способов изготовления композитов из углеродного волокна, но он гораздо более автоматизирован (в настоящее время на заводах используются разные системы с аналогичным функционированием, но никто не называет их 3D-принтерами). Эти типы устройств имеют довольно ограниченные возможности – они не подходят для изготовления гнутых поверхностей и полых элементов. Автоматизированные системы для укладки лент из углеродного волокна или кусочков ткани на / в формах имеют больше шансов на успех.
Несомненно, 3D-печать на композитных материалах с углеродным волокном набирает популярность и в ближайшие годы получит еще больше, что связано с распространением углеродного волокна, в том числе и в бытовых предметах. Победителем станет тот, кто разработает технологию, которая будет быстрее, эффективнее и, прежде всего, дешевле, чем традиционные методы производства композитов.
