3D-printen met continue glasvezel op de desktop

Desktop Metal's nieuwe continue fiber desktop 3D-printsysteem Bron | Bureaublad Metaal

Desktop Metal (Burlington, Mass., V.S.), een bedrijf dat gespecialiseerd is in 3D-metaalprinten voor productontwikkeling en massaproductie, heeft aangekondigd dat het zijn technologie zal uitbreiden naar de composietengemeenschap. Desktop Metal werd in 2015 opgericht met de missie "om 3D-printen toegankelijk te maken voor alle ingenieurs, ontwerpers en fabrikanten", en sindsdien heeft het bedrijf twee 3D-printtechnologieën op de markt gebracht:het kantoorvriendelijke metalen 3D-print Studio System en de hoge -volume Production System metalen 3D-printer, die printsnelheden tot 12.000 cm kan halen ³ /uur. Nu onthult het bedrijf wat naar eigen zeggen 's werelds eerste echte continue glasvezel-desktopprinter is.

"We breiden ons aanbod nu uit om continu 3D-printen via glasvezel naar de desktop van elke ingenieur en ontwerper te brengen", zegt Ric Fulop, CEO en oprichter van Desktop Metal.

Door recente ontwikkelingen op het gebied van additieve fabricage is het gebruik ervan in toenemende mate wijdverbreid voor prototyping, maar ook voor mallen, armaturen en gereedschappen. Desktop Metal voorspelt dat de technologie de komende tien jaar een groei van 10-50x zal doormaken als middel voor de productie van onderdelen voor eindgebruik. Het bedrijf zag een kans in de markt om 3D-printen naar een onderbezet gebied te brengen:de automatisering van de productie van kleine composietonderdelen. Desktop Metal begon zijn intrede in de composietensector en nam onlangs Make Composites Inc. (Boston, Mass., V.S.) over, een startend bedrijf opgericht door Konstantine Fetfatsidis. Fetfatsidis werd onlangs uitgeroepen tot SAMPE Young Professional of the Year 2019 en was eerder de R&D-leider voor geavanceerde productie bij Aurora Flight Sciences (Manassas, Va., VS), een Boeing-bedrijf.

Fetfatsidis, nu vice-president van composietproducten voor Desktop Metal, legt zijn inspiratie voor het starten van Make uit. “Op basis van mijn ervaring in R&D op het gebied van composieten en ook in de bedrijfsontwikkeling van luchtvaartstructuren in de omgang met klanten, kreeg ik te zien en te werken met wat toegankelijk was en de verschillende beschikbare productietechnologieën, en raakte eerlijk gezegd een beetje gefrustreerd over het feit dat handlay-up nog steeds state-of-the-art was. -the-art, vooral voor de kleinere onderdelen”, zegt hij.

Hij stelt dat fabrikanten voor kleine onderdelen - minder dan 20 pond - nog steeds voornamelijk afhankelijk zijn van handoplegging. Dergelijke arbeidsintensieve processen vereisen technici, dure gereedschappen en veel tijd, die allemaal de totale productiekosten van een onderdeel verhogen.

"Tijdens mijn carrière zijn er zoveel toepassingen geweest waarbij we graag koolstofvezel hadden gebruikt - vooral bij Aurora terwijl we aan eVTOL-concepten werkten - vanwege de lichtgewicht eigenschappen, stijfheid en sterkte, maar de kosten telden gewoon niet op, ', zegt Fetfatsidis. "Ik dacht bij mezelf:er moet een betere manier zijn om te automatiseren, het aantal processtappen bij traditionele productie te consolideren, gereedschap te verminderen en doorlooptijden te verkorten - alle bijbehorende kosten."

Hoewel er pogingen zijn gedaan om de fabricage van kleine composietonderdelen te automatiseren, bereiken de eigenschappen zelden de kwaliteit die industriële gebruikers gewend zijn met handlay-up, en zeker niet in een desktopproces. Bij de meeste composieten 3D-printen van tegenwoordig zijn de harsen vaak niet dezelfde als die welke worden gebruikt in traditionele processen, en veel printers gebruiken gepatenteerde materialen die niet dezelfde hoge prestaties bieden als gekwalificeerde materialen, wat leidt tot niet-uniformiteit en variabiliteit in kwaliteit. De resulterende onderdelen hebben doorgaans een lager vezelvolumegehalte en een hogere porositeit dan onderdelen die met de hand zijn vervaardigd.

"Er is tot nu toe echt geen end-to-end oplossing geweest om dit op desktopniveau te doen met de materialen die mensen gewend zijn te gebruiken", zegt Fulop. "We combineren de voordelen van 3D-printen met continue vezelmaterialen die geschikt zijn voor hoogwaardige toepassingen."

CNC-armatuur: Door dit CNC-apparaat 3D te printen als een continu vezelcomposiet op het Fiber-systeem, kan het onderdeel extreem stijf worden gemaakt, waardoor de slotcilinders stevig op hun plaats worden gehouden terwijl de bewerkingen worden uitgevoerd. Koolstofvezeltape kan selectief worden gelegd om stijfheid toe te voegen in delen van het armatuur die de hoogste belasting ervaren. Bewerkingsopspanningen moeten vaak extreme temperaturen doorstaan ​​en het gebruik van een met koolstofvezel versterkte PEEK zorgt voor stabiliteit bij hoge temperaturen. Door 3D-printen op het nieuwe Fiber-systeem, kunnen machinewerkingenieurs een geoptimaliseerd armatuurontwerp gebruiken dat anders te tijdrovend en te duur zou zijn om te bewerken. Bron | Bureaublad Metaal

Gebaseerd op banden

De nieuwe desktopprinter van Desktop Metal maakt gebruik van geautomatiseerde vezelplaatsingstechnologie (AFP) om hoogwaardige vezelversterkte thermoplastische composietonderdelen te produceren. De technologie maakt gebruik van dezelfde productielijnen die commerciële prepreg-tapes maken, waardoor gebruik wordt gemaakt van een bestaande toeleveringsketen en wordt geprofiteerd van de groei die al plaatsvindt op de markt voor unidirectionele (UD) tapes. In wezen neemt de technologie AFP en verkleint het voor een desktopprinter. In feite heeft het bedrijf zijn oorspronkelijke projectnaam ontleend aan Micro AFP Kinematic Extrusion system (Make).

De printer, die het bedrijf Fiber noemt, is ontworpen als een modulair gereedschapswisselsysteem voor gebruik in een kantoor- of productieomgeving en is in staat om industriële mallen, kaken, gereedschappen en bevestigingen te leveren, evenals eindgebruik onderdelen. De operator kan een Micro AFP-kop gebruiken om materiaal uit te leggen en vervolgens te parkeren en indien nodig over te schakelen naar een fused filament fabricage (FFF) kop.

"Voor de eerste keer combineren glasvezelprinters de materiaaleigenschappen van hoogwaardige AFP continue vezelmaterialen met de betaalbaarheid en snelheid van een desktop 3D-printer", zegt Fulop.

De technologie maakt gebruik van dezelfde UD-tapes die gekwalificeerd zijn voor hoogwaardige toepassingen. Hoewel de printer in staat is om UD-tapes met een grote verscheidenheid aan vezel- en thermoplastische matrixsystemen te verwerken, zullen de materialen die in eerste instantie voor het systeem beschikbaar zijn polyamide 6 (PA6) met koolstofvezel- en glasvezelversterkingen omvatten, evenals polyetheretherketon (PEEK) en polyetherketonketon (PEKK) met koolstofvezelversterking. De banden, die worden aangeboden in een formaat van 3 millimeter breed, zijn meestal voorzien van 12K-kabels en worden op eigen haspels gespoeld. Een enkele kabel van 3 millimeter breed wordt door de kop gevoerd totdat het in het kneepgebied komt, waar een contactloze verwarming de temperatuur van de thermoplast boven de smelttemperatuur krijgt, en een verdichtingsrol oefent druk uit voor consolidatie van de binnenkomende tape op de ondergrond eronder. Een snijder in de kop snijdt de tape af aan het einde van elke pas. Volgens Fetfatsidis bieden de tapes een oplossing van hogere kwaliteit, maar meer dan 10 keer goedkoper per liter dan een spoel van 1K-kabel die wordt gebruikt in sommige op extrusie gebaseerde 3D-printers die continue vezels gebruiken. Plus, de hogere kwaliteit van de banden in combinatie met de mogelijkheid om druk toe te voegen naar het onderdeel via het AFP-proces vertaalt zich in een hogere sterkte.

"We hebben tapes van zeer hoge kwaliteit die worden gebruikt in AFP/ATL-processen met een zeer hoog vezelvolume - 60% koolstofvezel - en dat hebben we gecombineerd met PEEK- of PEKK-matrix voor hoge temperaturen", zegt Fetfatsidis.

Cameramontage. Dankzij het Fiber-systeem kunnen onderdelen, zoals deze camerabevestiging, stijver en lichter worden gemaakt dan wanneer ze met andere materialen worden bedrukt. Snelle printtijd en lage materiaalkosten stellen de ontwerper in staat om snel op het ontwerp te itereren om een ​​optimaal onderdeel te bereiken. Bron | Bureaublad Metaal

Onderdelen die met het Fiber-systeem zijn gemaakt, zijn naar verluidt sterker dan staal, lichter dan aluminium en kunnen op het bureaublad worden afgedrukt. Fiber heeft een bouwvolume van 320 bij 240 bij 270 millimeter (12,6 bij 9,4 bij 10,6 inch). Voordelen zijn onder meer continue vezelversterking door het hele onderdeel en zeer weinig porositeit. Fetfatsidis zegt dat onderdelen die zijn gemaakt met PA6-tapes een porositeit van minder dan 5% kunnen hebben en dat PEEK/PEKK-tapes onderdelen kunnen opleveren met een porositeit van minder dan 1%. De machinist heeft de mogelijkheid om slepen te sturen om complexe vormen of bijzondere belastingscondities te bereiken. En omdat de harsen thermoplasten zijn, is uitharden in de autoclaaf niet meer nodig, evenals de noodzaak om het materiaal in een vriezer te bewaren.

"Dit is verreweg het eerste product op het gebied van 3D-printen dat continue koolstofvezel combineert met PEEK en PEKK in een desktop", zegt Fulop.

Lasthouder van lijkwade. Lijkwaadhouders worden gebruikt om metalen spuitgegoten (MIM) componenten te lokaliseren, zodat een robotachtige eindeffector een onderdeel kan oppakken voordat kritische afmetingen worden bewerkt. Dit armatuur ondervindt aanzienlijke slijtage doordat het constant in en uit het armatuur wordt gefietst. Door 3D-printen van de mantelbelastinghouder op het Fiber-systeem kunnen machinewerkingenieurs de doorlooptijd voor de productie van de armatuur verkorten van weken naar uren - terwijl de fabricagekosten met 95% worden verlaagd. Bron | Bureaublad Metaal

Toegankelijk voor iedereen

Hoewel de oplossing van Desktop Metal verschillende voordelen biedt, waaronder de mogelijkheid om onderdelen voor eindgebruik te maken en het gebruik van thermoplasten, is een van de meest opwindende aspecten van het Fiber-systeem misschien wel de betaalbaarheid ervan. De meeste systemen die thermoplastische tapes van continue vezels gebruiken voor de geautomatiseerde productie van composietonderdelen, zijn systemen van miljoenen dollars. Het Fiber-systeem van Desktop Metal is beschikbaar in twee modellen via een abonnementsservice. Fiber HT is ontworpen om onderdelen te produceren met continue composieten met <1% porositeit en tot 60% continue vezelbelasting met geavanceerde matrix, waaronder PEEK en PEKK. Het kan ervoor zorgen dat UL 94-V0 vlamvertragende onderdelen bestand zijn tegen hoge temperaturen tot 250 °C, naast ESD-conforme onderdelen. Het Fiber HT-model begint bij een introductieprijs van $ 5495 per jaar. Ondertussen begint Fiber LT bij $ 3.495 per jaar en biedt het een betaalbare manier om ESD-conforme, niet-beschadigende onderdelen met hoge sterkte te produceren met behulp van continue vezels met een porositeit van <5% met PA6-thermoplasten.

ESD-eindeffector. Eindeffectors worden gebruikt tijdens het fabricageproces van printplaten (PCB's). Dit onderdeel is gemaakt met de elektrostatische ontlading (ESD)-veilige, met koolstofvezel versterkte PA6 van het Fiber-systeem, om PCB's te beschermen tegen schadelijke elektrostatische ontlading tijdens het assemblageproces. De eindeffectors zijn gedrukt als een continu koolstofvezelcomposiet en zijn extreem stijf, lichtgewicht en bestand tegen de belasting van het assemblageproces van de printplaat. Bron | Bureaublad Metaal

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

"Voor een paar duizend dollar kun je composietonderdelen maken met hoge prestaties, gemaakt van dezelfde tapetechnologie die nu wordt gebruikt in echt hoogwaardige AFP-gefabriceerde onderdelen", voegt Fulop toe.

Aangezien de rol van 3D-printen in de productie blijft groeien, hebben ontwerpers en ingenieurs oplossingen nodig die een breed scala aan materialen toegankelijk maken. Het Fiber-systeem is een grote stap voorwaarts om hoogwaardige composietmaterialen binnen het bereik te brengen van iedereen die wil profiteren van het lichte gewicht, de sterkte en de stijfheid die composieten bieden. Desktop Metal zal zijn Fiber continuous fiber desktop 3D-printsysteem presenteren op de Formnext 2019 additive manufacturing-tentoonstelling en conferentie, 19-22 november in Frankfurt, Duitsland.