Desktop Metal lanceert continue-vezel desktop 3D-printer voor ingenieurs

Desktop Metal's nieuwe continue-vezel desktop 3D-printsysteem. Bron: Desktop Metal

Desktop Metal (Burlington, Massachusetts, VS), een bedrijf gespecialiseerd in metaal 3D-printen voor productontwikkeling en massa-productie, heeft aangekondigd zijn technologie uit te breiden naar de composietgemeenschap. Desktop Metal werd in 2015 opgericht met de missie "om 3D-printen toegankelijk te maken voor alle ingenieurs, ontwerpers en fabrikanten" en heeft sindsdien twee 3D-printtechnologieën op de markt gebracht: het kantoorvriendelijke metaal 3D-print Studio System en het high-volume Production System metaal 3D-printer, capabel tot printsnelheden van 12.000 cm³/uur. Nu onthult het bedrijf wat het noemt de werelds eerste echte continue-vezel desktop printer.

"We breiden nu ons aanbod uit om continue-vezel 3D-printen naar het bureau van elke ingenieur en ontwerper te brengen," zegt Ric Fulop, CEO en oprichter van Desktop Metal.

Recente vooruitgang in additieve manufacturing heeft het gebruik steeds meer verspreid voor prototyping, maar ook voor jigs, fixtures en tooling. Desktop Metal voorspelt dat de technologie de komende decennium een groei van 10-50x zal ervaren als manier voor het produceren van eindgebruiksonderdelen. Het bedrijf herkende een marktkans om 3D-printen te brengen naar een ondergediende sector: de automatisering van kleine composietonderdelenproductie. Als start van zijn intrede in de composietsector, heeft Desktop Metal onlangs Make Composites Inc. (Boston, Massachusetts, VS) overgenomen, een startup opgericht door Konstantine Fetfatsidis. Fetfatsidis werd recentelijk benoemd tot 2019 SAMPE Young Professional of the Year en was eerder advanced manufacturing R&D-lead bij Aurora Flight Sciences (Manassas, Virginia, VS), een Boeing-dochter.

Fetfatsidis, nu vice-president composietproducten bij Desktop Metal, legt zijn inspiratie voor het oprichten van Make uit. "Op basis van mijn ervaring in composiet R&D en ook in aerostructuren business development met klanten, heb ik gezien en gewerkt met wat toegankelijk was en de verschillende productietechnologieën, en eerlijk gezegd werd ik een beetje gefrustreerd dat handmatig leggen nog steeds state-of-the-art is, met name voor de kleinere onderdelen," zegt hij.

Hij stelt dat voor kleine onderdelen – minder dan 20 pond – fabrikanten nog steeds primair vertrouwen op handmatig leggen. Dergelijke arbeidsintensieve processen vereisen technici, dure tooling en veel tijd, wat allemaal de totale productiekosten van een onderdeel verhoogt.

"Doorheen mijn carrière zijn er zoveel toepassingen geweest waar we graag koolstofvezel wilden gebruiken – met name bij Aurora tijdens het werken aan eVTOL-concepten – vanwege de lichte eigenschappen, stijfheid en sterkte, maar de kosten kloppen gewoon niet," zegt Fetfatsidis. "Ik dacht: er moet een betere manier zijn om te automatiseren, het aantal processtappen in traditionele productie te consolideren, tooling en levertijden te reduceren – alle bijbehorende kosten."

Hoewel pogingen zijn gedaan om de productie van kleine composietonderdelen te automatiseren, bereiken de eigenschappen zelden de kwaliteit die industriële gebruikers gewend zijn met handmatig leggen, en zeker niet in een desktopproces. In de meeste composiet 3D-printprocessen zijn de harsen vaak niet dezelfde als in traditionele processen, en veel printers gebruiken proprietaire materialen die niet dezelfde hoge prestaties bieden als gekwalificeerde materialen, wat leidt tot non-uniformiteit en variabiliteit in kwaliteit. De resulterende onderdelen hebben doorgaans een lagere vezelvolume-inhoud en hogere porositeit dan handmatig geproduceerde onderdelen.

"Echt, er is tot nu toe geen end-to-end oplossing geweest om dit op desktopniveau te doen met de materialen waar mensen gewend zijn aan, tot nu," zegt Fulop. "We combineren de voordelen van 3D-printen met continue-vezelmaterialen die gekwalificeerd zijn voor high-performance toepassingen."

CNC-fixture: Door deze CNC-fixture te 3D-printen als continue-vezelcomposiet op het Fiber-systeem, kan het onderdeel extreem stijf gemaakt worden, zodat de sluitcilinders stevig vastgehouden worden tijdens bewerkingsoperaties. Koolstofvezeltape kan selectief gelegd worden om stijfheid toe te voegen aan secties van de fixture die de hoogste belasting ervaren. Bewerkingsfixtures moeten vaak extreme temperaturen weerstaan en het gebruik van koolstofvezel-versterkt PEEK zorgt voor stabiliteit bij hoge temperaturen. Door 3D-printen op het nieuwe Fiber-systeem, kunnen machine shop ingenieurs een geoptimaliseerd fixture-ontwerp gebruiken dat anders te tijdrovend en duur zou zijn om te bewerken. Bron: Desktop Metal

Gebaseerd op tapes

Desktop Metal's nieuwe desktopprinter adopteert geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP) technologie om high-quality vezelversterkte thermoplastische composietonderdelen te produceren. De technologie benut de productielijnen die commerciële prepreg-tapes produceren, waardoor een bestaande supply chain wordt benut en profijt genoten wordt van de groei in de unidirectionele (UD) tapes markt. In essentie schaalt de technologie AFP af naar een desktopprinter. Het bedrijf heeft de oorspronkelijke projectnaam afgeleid van Micro AFP Kinematic Extrusion system (Make).

De printer, die het bedrijf Fiber noemt, is ontworpen als een modulair tool-changing systeem voor gebruik in een kantoor- of productieomgeving en is in staat om industriële-kwaliteit manufacturing jigs, jaws, tools en fixtures te leveren, alsook eindgebruiksonderdelen. De operator kan een Micro AFP-kop gebruiken om materiaal te leggen en deze vervolgens parkeren en overschakelen naar een fused filament fabrication (FFF) kop naar behoefte.

"Voor het eerst combineren Fiber-printers de materiaaleigenschappen van high-performance AFP continue-vezelmaterialen met de betaalbaarheid en snelheid van een desktop 3D-printer," zegt Fulop.

De technologie gebruikt dezelfde UD-tapes die gekwalificeerd zijn voor high-performance toepassingen. Hoewel de printer in staat is UD-tapes te verwerken met een grote verscheidenheid aan vezel- en thermoplastische matrixsystemen, zullen de initieel beschikbare materialen voor het systeem polyamide 6 (PA6) met koolstofvezel- en glasvezelversterking, alsmede polyetheretherketone (PEEK) en polyetherketonketone (PEKK) met koolstofvezelversterking omvatten. De tapes, aangeboden in een 3-millimeter breed formaat, hebben typisch 12K tow vezels en worden opgespoeld op proprietaire rollen. Een enkele 3-millimeter brede tow wordt door de kop gevoerd tot in de nip-zone, waar een contactloze verwarming de temperatuur van de thermoplast above zijn smeltpunt brengt, en een compacteerrol druk uitoefent voor consolidatie van de inkomende tape op het substraat eronder. Een cutter in de kop knipt de tape aan het einde van elke pas. Volgens Fetfatsidis bieden de tapes een oplossing die hogere kwaliteit levert maar meer dan 10 keer goedkoper is per liter basis dan een spoel 1K tow filament die in sommige extrusie-gebaseerde 3D-printers met continue vezel wordt gebruikt. Bovendien vertaalt de hogere kwaliteit van de tapes gekoppeld met de mogelijkheid om druk toe te voegen aan het onderdeel door het AFP-proces in hogere sterkte.

"We hebben heel hoge kwaliteit tapes die gebruikt worden in AFP/ATL processen met zeer hoge vezelvolume lading – 60% koolstofvezel – en we combineren dat met PEEK of PEKK high-temp matrix," zegt Fetfatsidis.

Camera Mount. Het Fiber-systeem stelt onderdelen, zoals deze camera mount, in staat om stijver en lichter gemaakt te worden dan als geprint met andere materialen. Snelle printtijd en lage materiaalkosten stellen de ontwerper in staat om snel te itereren op het ontwerp om een optimale onderdeel te bereiken. Bron: Desktop Metal

Onderdelen gecreëerd met het Fiber-systeem zijn naar zeggen sterker dan staal, lichter dan aluminium en kunnen op het bureau geprint worden. Fiber heeft een build volume van 320 bij 240 bij 270 millimeter (12,6 bij 9,4 bij 10,6 inch). Voordelen zijn continue-vezelversterking door het hele onderdeel en zeer weinig porositeit. Fetfatsidis zegt dat onderdelen gecreëerd met PA6-tapes minder dan 5% porositeit kunnen hebben en PEEK/PEKK-tapes onderdelen kunnen opleveren met minder dan 1% porositeit. De operator heeft de mogelijkheid om tows te sturen om complexe vormen of specifieke belastingssituaties te bereiken. En omdat de harsen thermoplasten zijn, wordt de noodzaak voor een autoclave-verharding geëlimineerd, evenals de noodzaak om het materiaal in een vriezer op te slaan.

"Dit is heel erg het eerste product in het 3D-printdomein dat continue koolstofvezel combineert met PEEK en PEKK in een desktop," zegt Fulop.

Shroud load holder. Shroud load holders worden gebruikt om metal injection molded (MIM) componenten te positioneren zodat een robotische eind-effector een onderdeel kan oppikken voordat kritische afmetingen worden gemachineerd. Deze fixture ervaart aanzienlijke slijtage doordat hij constant in en uit de fixture cycelt. 3D-printen van de shroud load holder op het Fiber-systeem stelt machine shop ingenieurs in staat om de levertijd voor de productie van de fixture van weken naar uren te reduceren – terwijl de fabricatiekosten met 95% worden verlaagd. Bron: Desktop Metal

Toegankelijk voor iedereen

Hoewel Desktop Metal's oplossing verschillende voordelen biedt, waaronder de mogelijkheid om eindgebruiksonderdelen te maken en het gebruik van thermoplasten, is wellicht een van de meest opwindende aspecten van het Fiber-systeem de betaalbaarheid. Meeste systemen die continue-vezel thermoplastische tapes gebruiken voor de geautomatiseerde productie van composietonderdelen zijn miljoenen-dollar systemen. Desktop Metal's Fiber-systeem is beschikbaar in twee modellen via een abonnementsdienst. Fiber HT is ontworpen om onderdelen te produceren met continue composieten met <1% porositeit en tot 60% continue-vezellading met geavanceerde matrix, inclusief PEEK en PEKK. Het kan UL 94-V0 vlamvertragende onderdelen maken die hoge temperaturen tot 250°C weerstaan, naast ESD-compliant onderdelen. Het Fiber HT-model begint bij een introductieprijzen van $5.495 per jaar. Tegenover dat staat Fiber LT vanaf $3.495 per jaar, wat een betaalbare manier biedt om high-strength ESD-compliant, non-marring onderdelen te produceren met continue vezel met <5% porositeit met PA6 thermoplasten.

ESD eind-effector. Eind-effectoren worden gebruikt tijdens het productieproces van printed circuit boards (PCB). Dit onderdeel is gemaakt met het Fiber-systeem's electrostatic discharge (ESD)-veilige koolstofvezel-versterkte PA6, om PCB's te beschermen tegen schadelijke elektrostatische ontlading tijdens het assemblageproces. Geprint als continue koolstofvezelcomposiet, zijn de eind-effectoren extreem stijf, lichtgewicht en in staat om de belasting van het PCB-assemblageproces te weerstaan. Bron: Desktop Metal

"We willen dat mensen het systeem kunnen kopen, op hun bureau thuis of op kantoor hebben en PEEK-onderdelen met continue vezel kunnen maken," zegt Fetfatsidis.

"Voor een paar duizend dollar kun je beginnen met het maken van composietonderdelen met hoge prestaties, gemaakt uit dezelfde tape-technologie die nu gebruikt wordt in echt high-end AFP-geproduceerde onderdelen," voegt Fulop toe.

Naarmate de rol van 3D-printen in de productie blijft groeien, hebben ontwerpers en ingenieurs oplossingen nodig die een brede gamma materialen toegankelijk maken. Het Fiber-systeem is een grote stap voorwaarts om high-performance composietmaterialen binnen handbereik te brengen van iedereen die wil profiteren van het lichte gewicht, de sterkte en stijfheid die composieten bieden. Desktop Metal zal zijn Fiber continue-vezel desktop 3D-printsysteem tonen op Formnext 2019, de additieve manufacturing tentoonstelling en conferentie, 19-22 november in Frankfurt, Duitsland.