3D-printen van composietmaterialen:een inleidende gids

Additive manufacturing kan worden gebruikt met een breed scala aan materialen, van hoogwaardige thermoplasten zoals PEEK tot ruimtevaartklare metalen zoals titanium.

Soms willen ingenieurs echter de eigenschappen van twee verschillende materialen combineren, en een van de beste manieren om dit te doen is door composieten te gebruiken. . Gebruikt in processen zoals FDM en SLS (evenals nieuwe technologieën), bevatten composietmaterialen doorgaans een thermoplastisch basismateriaal en een versterkend element zoals koolstofvezel. De verhouding tussen de twee elementen kan variëren, evenals de methode om het versterkende materiaal te integreren.

Naarmate de 3D-printtechnologieën blijven verbeteren, wordt het gebruik van 3D-afdrukbare composieten steeds wijder verspreid. En het gebruik ervan is ook niet beperkt tot de industrie:terwijl sommige composieten (bijvoorbeeld SLS-poeders) vooral gericht zijn op industriële gebruikers , andere (zoals gehakte vezelversterkte thermoplasten) kunnen worden gebruikt in FDM 3D-printers van gemiddelde prijs voor consumenten en professionals .

Dit artikel dient als een inleidende gids voor het 3D-printen van composietmaterialen. Het kijkt naar enkele populaire composietmaterialen en composietprinttechnologieën, legt het verschil uit tussen gehakte vezels en continue vezelcomposieten, en beschouwt de belangrijkste toepassingen en voordelen van 3D-printcomposieten.

Wat zijn composietmaterialen voor 3D-printen?

Simpel gezegd, een composietmateriaal is een materiaal dat bestaat uit twee of meer verschillende materialen . Composite 3D-printspecialist Markforged definieert composieten als "bestaande uit meer dan één materiaal dat, wanneer gecombineerd, eigenschappen heeft die verschillen van hun originele materialen."

Voorbeelden van composieten buiten 3D-printen zijn multiplex (lagen van verschillende houtfineerlagen) en gewapend beton (beton versterkt door stalen staven).

Binnen 3D-printen zijn composieten meestal een combinatie van een thermoplastisch basismateriaal (een matrix) en een versterkende element zoals koolstofvezel, glasvezel, grafeen, of kevlar . (Merk op dat een mengsel van twee thermoplasten, zoals PLA + ABS, meestal een blend wordt genoemd , geen composiet.) Basismaterialen kunnen vrijwel alles zijn, maar industriële gebruikers gebruiken doorgaans hoogwaardige thermoplasten die goede materiaaleigenschappen hebben, zelfs zonder versterkende elementen; dergelijke kunststoffen omvatten pc, nylon en PEEK.

Composieten kunnen verschillende materiaalvormen aannemen, de meest voorkomende zijn gemengde poeders voor selectieve lasersintering (SLS) en gemengde filamenten voor fused deposition modeling (FDM) . Minder vaak voorkomend maar bijzonder opwindend zijn composieten die bestaan ​​uit een basismateriaal gecombineerd met continue vezels die, met behulp van nieuwe processen, kunnen worden geregen of geweven in thermoplastische matrices terwijl ze worden gedrukt. Dergelijke processen vereisen typisch twee mondstukken:één om de thermoplast af te zetten en één om de continue vezels te verdelen. Ten slotte zijn er ook een beperkt aantal composietharsen voor vatfotopolymerisatie 3D-printprocessen zoals stereolithografie (SLA); met deze technologie kunnen thermohardende harsbasismaterialen worden uitgehard rond een versterkend vezelskelet.

Populaire composiet 3D-printmaterialen

Of het nu in poedervorm, filament of een andere vorm is, composiet 3D-printmaterialen worden meestal ontwikkeld vanwege hun hoge sterkte , hoge stijfheid , goede dimensionale stabiliteit , en goede kracht-tot-gewicht verhouding. Vezels zijn uitzonderlijk licht en ze kunnen de sterkte van een thermoplast drastisch verbeteren zonder aan de massa toe te voegen. 3D-geprinte technische composieten kunnen zelfs worden gebruikt als vervanging voor metaal.

De basisthermoplasten voor FDM 3D-printcomposieten variëren van basispolymeren zoals PLA en ABS aan het goedkopere einde van de schaal, tot hoogwaardige polymeren zoals PEEK aan het premie-einde. Nylon is het belangrijkste materiaal dat wordt gebruikt voor composiet SLS-poeders (omdat het het belangrijkste materiaal is dat wordt gebruikt bij lasersinteren in het algemeen), maar hoogwaardige materialen zoals PAEK kan ook worden gebruikt.

Als we kijken naar composieten in het algemeen (ook buiten 3D-printen), glasvezel is het meest populaire versterkende materiaal - en het wordt ook veel aangetroffen in composieten voor 3D-printen. Binnen additive manufacturing echter, koolstofvezels worden veel vaker gebruikt dan glas, aangezien composiet 3D-printen wordt gebruikt voor veel kritische toepassingen waarbij de superieure sterkte van koolstof de extra kosten waard is. Andere versterkende materialen zijn Kevlar en grafeen.

Basismaterialen

• Polyamide/nylon (PA): 
• Acrylonitril-butadieen-styreen (ABS)
• Polymelkzuur (PLA)
• Polycarbonaat (pc)
• Polyetherimide (PE)
• Polyfenyleensulfide (PPS)
• Polyetheretherketon (PEEK)
• Polyaryletherketon (PAEK)

Versterkingen

• Koolstofvezel
• Glasvezel
• Glazen kralen
• Kevlar
• Grafeen
• Andere metalen

Voorbeelden van merkcomposietmaterialen op de markt zijn onder meer EOS's PA 640-GSL , een PA 12 nylon SLS-poeder versterkt met glasparels en koolstofvezels; 3DXTech's CarbonX PETG+CF , een PETG FDM-filament versterkt met gehakte koolstofvezel; en Markforged's Onyx , een nylon basismateriaal gevuld met koolstofvezel dat ook kan worden versterkt met continue vezels met behulp van Markforged's gepatenteerde composietprinttechnologie.

3D-printprocessen voor composietmaterialen

Op enkele uitzonderingen na zijn de belangrijkste 3D-printtechnologieën voor composiet 3D-printen fused deposition modeling (FDM), selectieve lasersintering (SLS) en nieuwe technologieën voor continu printen van vezels.

FDM

FDM is het meest gebruikte 3D-printproces voor plastic onderdelen, en veel machines voor de middenprijs zijn in staat composietmaterialen zoals met koolstofvezel versterkt ABS te verwerken. Composietmaterialen voor FDM bestaan ​​uit een thermoplastisch basismateriaal en (meestal) gehakte, discontinue vezels. Deze vezels kunnen geprinte delen versterken en verstijven, maar in grotere hoeveelheden kunnen ze het filament ook moeilijker te printen maken en de oppervlaktekwaliteit negatief beïnvloeden.

SLS

SLS is een ander plastic 3D-printproces dat geschikt is voor de productie van composietonderdelen. Vanwege de kosten en complexiteit van SLS-systemen wordt deze technologie vooral gebruikt door industriële gebruikers. Materialen zijn een mix van thermoplastische poeders (vaak nylon) en versterkende elementen zoals gehakte vezels of glasparels. Merk op dat samengestelde SLS-poeders niet universeel zijn; hardwarefabrikanten zoals EOS maken machines die speciaal zijn bedoeld voor composietprinten.

Nieuwe continue vezelprocessen

Een van de meest geavanceerde gebieden van additive manufacturing is het printen van composieten met continue vezels - een concept dat in de volgende sectie wordt uitgelegd. Bedrijven zoals Markforged, Desktop Metal, Orbital Composites, 9T Labs en Anisoprint hebben allemaal composiet additieve fabricagehardware ontwikkeld die continue vezels kan integreren in thermoplastische onderdelen tijdens het printen, meestal door continue vezels in elke afzonderlijke laag te voeren met behulp van een afzonderlijk mondstuk.

Gehakte vezels versus continue vezelcomposieten

Samengestelde 3D-printmaterialen met versterkende vezels kunnen worden onderverdeeld in twee verschillende categorieën:composieten van gesneden vezels en composieten van continue vezels. Dus hoewel twee verschillende composieten exact dezelfde samenstellende materialen kunnen bevatten, kunnen ze op een heel verschillende manier presteren, afhankelijk van of ze gehakte of continue vezels hebben.

• Gehakte vezels zijn kleine strengen versterkend materiaal zoals koolstof of kevlar. Meestal meten ze minder dan een millimeter in lengte kunnen deze strengen gemakkelijk worden gemengd tot een thermoplastische matrix (PLA, ABS, enz.), waardoor de gewone kunststof meer sterkte en stijfheid krijgt. Gehakte vezels zijn ongelooflijk handig omdat ze zeer veelzijdig zijn :ze kunnen worden gemengd met een breed scala aan thermoplasten en de resulterende composieten kunnen worden afgedrukt op gewone 3D-printers. Wanneer gehakte vezels echter in een basismateriaal worden gemengd, neemt elke afzonderlijke vezel een willekeurige oriëntatie . aan , waardoor het materiaal minder sterk is dan een materiaal met doorlopende vezels.
• Continue vezels , zijn daarentegen langer, eenrichtingsverkeer strengen versterkend materiaal dat, wanneer geïntegreerd in een thermoplastische matrix, een enorm superieure sterkte verschafte in vergelijking met gehakte vezels. Dit komt omdat een streng belastingen over de gehele lengte kan absorberen en verdelen, dus een langere ononderbroken lengte heeft groter draagvermogen dan een klein gehakte streng. Pas in de afgelopen vijf jaar is 3D-printen met continuvezelcomposiet mainstream geworden, waarbij verschillende fabrikanten hun eigen technologieën hebben ontwikkeld. Onnodig te zeggen dat continu printen van vezelcomposiet duurder is dan printen met gesneden vezelcomposiet, omdat speciale hardware vereist is.

Toepassingen van composietmaterialen

Composietmaterialen hebben veel toepassingen in vele industrieën, en toepassingen omvatten prototypes , onderdelen voor eindgebruik , en tooling .

Sectoren die gebruik maken van additieve fabricage en 3D-printcomposieten zijn onder meer luchtvaart, automobiel, elektronica, consumentengoederen, medisch, en industrieel . De meeste van deze industrieën gebruiken composiet 3D-printen om onderdelen met een hoge stijfheid te maken die klein van formaat zijn (hoewel sommige grootformaat extrusiehardware in staat is om composieten te printen).

Tooling - op kleine of grote schaal - is een bijzonder relevante toepassing voor composiet 3D-printen, aangezien versterkte materialen ideaal zijn voor mallen en end-of-arm tooling.

Wat bepaalde technologieën betreft, biedt 3D-printen met continue vezels het grootste aantal potentiële toepassingen (vergeleken met FDM of SLS), hoewel het nog in de kinderschoenen staat en niet zo wijdverbreid wordt gebruikt als 3D-printtechnieken met gehakte vezels.