3D-Druck mit Verbundwerkstoffen

May 09, 2024

Probieren Sie hochfeste Teile, einschließlich Kugelgelenke, 3D-gedruckt aus durchgehend kohlenstofffaserverstärktem Nylon auf dem neuen industriellen Mark Two-System von MarkForged. Bild mit freundlicher Genehmigung von MarkForged.

Noch vor wenigen Jahren war jeder Artikel, der sich mit dem 3D-Druck mit Verbundwerkstoffen befasste, recht kurz. Angesichts der jüngsten Welle an Material- und Systementwicklungen, die auf den 3D-Druck stärkerer und leichterer Teile abzielen, könnte das gleiche Thema möglicherweise eine Zeitschrift füllen.

Teile aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) werden aufgrund ihres hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses seit Jahrzehnten eingesetzt; Polymere wie Nylon und Füllstoffe wie Glasfaser werden ebenfalls häufig verwendet. Bei herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen sind jedoch häufig manuelle Laminierungen erforderlich und eine Nachbearbeitung wie Autoklavieren und Vakuumformen ist erforderlich. Solche Aufgaben können höhere Fähigkeiten und höhere Kosten erfordern als die Arbeit mit Standardkunststoffen oder -metallen. Da Designer immer nach stärkeren Materialien für den Einsatz in 3D-Druck-/Additive-Manufacturing-Systemen (AM) suchen, ist es kein Wunder, dass diesem Materialkonzept zunehmend Aufmerksamkeit geschenkt wird. DE wirft einen Blick auf AM-Verbundwerkstoff-Handhabungssysteme und -Materialien, die jetzt verfügbar sind oder in Kürze erhältlich sind, sowie auf Bemühungen in unterstützenden Bereichen.

Software zur Optimierung der Eigenschaften 3D-gedruckter Teile

Als Arevo Labs gegründet wurde, „war unsere Vision, Produktionsteile [aus Verbundwerkstoffen] herzustellen“, sagt Hemant Bheda, der Präsident des Unternehmens. Arevo Labs hat eine Familie hochfester Verbundfilamente mit einer Reihe von Eigenschaften entwickelt, die jedoch nur einen Teil des Problems lösten. „AM bietet die Freiheit, Teile auf viele verschiedene Arten herzustellen – sogar auf 10.000 Arten“, bemerkt Bheda, „aber was ist die beste Methode? Uns wurde klar, dass wir ein Softwaretool brauchten, das die Eigenschaften vorhersagte, damit wir das Design und die Ausrichtung optimieren konnten; sonst würden wir Teile blind bauen.“

Bheda sagt, dass dies noch nie zuvor gemacht wurde, aber sie entwickeln jetzt ein Produkt namens AFEA, das genau das tut. Diese auf einem Finite-Elemente-Analysealgorithmus basierende Software läuft unter Windows, Mac und in der Cloud und unterstützt Ingenieure bei der Steuerung der Faserausrichtung und nutzt gleichzeitig die einzigartige Designfreiheit von AM. „Wir möchten, dass Ingenieure Entwürfe untersuchen, fragen: ‚Kann ich diese Endeigenschaft erhalten?‘ und ein Testteil erstellen, um die Berechnungen zu bestätigen.“ Arevo Labs arbeitet mit einer Reihe strategischer Partner an einer ersten Software-Veröffentlichung im dritten Quartal 2016.

Der Bedarf an Simulations-/Optimierungssoftware ist allgemein anerkannt, um den 3D-Druck als echte Fertigung realisierbar zu machen: die Herstellung von Teilen mit gewünschten, vorhersehbaren und wiederholbaren Ergebnissen, sei es einzeln oder in großen Mengen. Andere Unternehmen, von Avante Technology bis hin zu SIMULIA von Dassault Systèmes, nehmen diese Herausforderung an, also bleiben Sie auf dem Laufenden. – PJW

Der A2V2 des italienischen Herstellers 3ntr ist ein FFF-System (Fused Filament Fabrication), dessen großer Betriebstemperaturbereich (bis zu 410 °C) die Verarbeitung mehrerer Verbundfilamenttypen ermöglicht, darunter Nylon/Carbon und PA66-Nylon/Glas. Mit einem Druckvolumen von 24,4 x 13,7 x 19,2 Zoll ist es für die industrielle Produktion konzipiert. Plural Additive Manufacturing führt das System in den USA

Cincinnati Incorporated (CI) hat in den letzten Jahren für Schlagzeilen mit seinen Extrusionsanlagen für die Big Area Additive Manufacturing (BAAM) gesorgt, die hauptsächlich mit kohlenstofffaserverstärkten ABS-Kunststoffverbundmaterialien (Acrylnitril-Butadien-Styrol) betrieben werden. Das Unternehmen arbeitete mit Local Motors zusammen, um sowohl das Strati-Auto als auch die Shelby-Cobra-Reproduktion in 3D zu drucken, ein Auftakt für eine geplante Reihe von von der Community entworfenen, lokal produzierten Fahrzeugen. Laut Matt Garbarino, Marketingmanager für CI, besitzt Local Motors mittlerweile drei BAAM-Systeme, darunter eines am Hauptsitz von Local Motors in Chandler, AZ, und eines, das in der Mikrofabrik in National Harbor, MD, installiert wird. Garbarino sagt, dass die Verbesserungsrate für das System, die Materialien und die Programmiersoftware derzeit sehr hoch sei; Ein weiterer Kunde, SABIC IP, widmet seine Maschine ausschließlich der Materialentwicklung. Für den Bau des Strati-Fahrzeugs wurde die gehackte Kohlefasermischung THERMOCOMP von SABIC verwendet.

Cosine Additive ist ebenfalls im Bereich der additiven FFF-Fertigung tätig, deckt jedoch den Bedarf an „mittelgroßen“ Teilen ab. Das 2013 gegründete Unternehmen bezeichnet sein AM1-System sogar als MAAM – eine Weiterentwicklung des BAAM von CI – und bietet ein Bauvolumen von 43 x 33 x 35 Zoll. Andrew McCalip, CTO, gab an, dass sein Unternehmen speziell den Spritz- und Umformmarkt verfolgt: Das AM1 Das System ist für die Herstellung verbundbasierter Werkzeuge zur Herstellung wirtschaftlicher Erstartikel konzipiert. „Wir haben festgestellt, dass es von großem Wert ist, hauptsächlich Kohlenstofffasern (in Polycarbonaten) zu verarbeiten. es erhöht die Steifigkeit der Form erheblich. Wir sind in der Lage, weniger Material zu verwenden und dennoch die Anforderungen an die Wärmeformbeständigkeit und den Druck dieser Umformprozesse zu erfüllen“, erklärt er.

McCalip sagt, dass ihre Formen letztendlich mit Aluminiumformen verglichen werden; Bei einem ausreichend hohen Fasergehalt erreichen Verbundformen eine ähnliche Druckausbeute und Steifigkeit. Das Unternehmen hat keine Ahnung davon, was durch die AM1-Düsen fließt, hat jedoch mit glasfaserverstärktem Nylon gearbeitet und prüft die Verwendung von Polyphenylsulfid (PPS) mit höherer Temperatur und höherem Kohlenstofffasergehalt als Ersatz für Al 6061.

Nachdem Impossible Objects letztes Jahr auf der RAPID-Show für großes Aufsehen gesorgt hat, entwickelt es seine CBAM-Technologie (Composite-Based Additive Manufacturing) basierend auf einem einzigartigen Schichtungsprozess weiter. Eine proprietäre, niedrigviskose Flüssigkeit wird in einem CAD-gesteuerten Muster auf dünne Platten aus Kohlefaser, Kevlar, Glasfaser oder anderem Fasermaterial gespritzt. Ein thermoplastisches Pulver (z. B. Nylon PA12, Polyethylen hoher Dichte, PEEK) wird aufgetragen und haftet genau an den benetzten Bereichen. Der gesamte Schichtsatz wird komprimiert und erhitzt, wodurch der Thermoplast schmilzt und ein vollständig dichtes Teil entsteht, sobald überschüssiges Material entfernt wird. Impossible Objects fungiert derzeit als Servicebüro und arbeitet an einem Betaprogramm für Produktionsmaschinen, das die Geschwindigkeit des Prozesses zur Herstellung starker, komplexer AM-Teile hervorhebt.

Im vergangenen März stellte MarkForged, Entwickler der ersten AM-Systeme mit kontinuierlichen Verbundfaserfilamenten, den Mark Two vor und ersetzte damit den Mark One. Dieses verbesserte Modell kann Kohlefaser (neben Nylon) in 15-mal kleineren Mengen als das Mark One verlegen und so kleinere Teile erzeugen, die noch stärker sind, und größere Teile, die in der Nähe von Kanten und Ecken steifer sind, und das alles bei einer um 40 % höheren Geschwindigkeit. Das Standardsystem druckt mit zwei verschiedenen Verbundwerkstoffen: Glasfaser und Kohlefaser. das Professional-Modell kann auch durchgehende Kevlar-Fasern verwenden; und die Enterprise-Version bietet zusätzlich die Option eines neuen hochfesten Hochtemperatur-Glasfaserglases (HSHT). Letzteres ist das erste einer Reihe neuer Materialien, die dieses Jahr erscheinen werden.

Greg Mark, Gründer und Präsident von MarkForged, sagt, dass der Mark Two über einen neuen Druckkopf, Elektronik, Software und Edelstahl-Antriebsmechanismus, optionale Telemetrieüberwachung und andere Verbesserungen verfügt, die darauf abzielen, dass die Kunden bei der Verwendung dieser anspruchsvollen, abrasiven Verbundwerkstoffe einsatzbereit bleiben Materialien. „Alles im Mark Two ist im Vergleich zum One gehärtet, und im Enterprise-Kit ist alles [im Druckkopfbereich] stärker gehärtet als der Rest“, bemerkt er.

Mehrere Unternehmen verfügen über jahrzehntelange Erfahrung in der Entwicklung von AM-Verbundmaterialien für Lasersinter-AM-Systeme (LS), beispielsweise von 3D Systems und EOS. Advanced Laser Materials (ALM), eine hundertprozentige Tochtergesellschaft von EOS, entwickelt weiterhin lasersinternde Kunststoffe, darunter Versionen von PA11-Nylon (gefüllt mit Kohlenstoff- oder Glasfasern) und PA12-Nylon (gefüllt mit Aluminium, Glaskugeln oder Fasern aus Kohlenstoff, Glas). oder Mineralien). CRP Technology ist bekannt für seine leistungsstarken Windform-Pulver. Die Produktlinie umfasst Materialien auf Polyamidbasis, die eine hohe Festigkeit, hohe Steifigkeit, wasserdichte/wasserbeständige Leistung und/oder Flexibilität bieten. Und für Stereolithographie-Systeme (SLA) empfehlen wir PerFORM von DSM Somos, ein keramisches Kunststoffharz, das steife, cremefarbene, hochtemperaturbeständige Teile erzeugt, die sich ideal für Spritzgusswerkzeuge und Windkanaltestanwendungen eignen.

Zurück im FFF-Bereich hat Arevo Labs aus Santa Clara, Kalifornien, nicht nur eine Familie proprietärer thermoplastischer Verbundfilamente entwickelt, sondern hat auch eine Reihe verwandter Projekte im Gange. Derzeit erhältlich sind Katevo (hochfestes PEEK/Kohlefaser), Quantevo (PAEK/Kohlefaser oder Kohlenstoffnanoröhrchen) und Xanevo (PARA/Glas). Das Unternehmen sieht beispielsweise Interesse in der Elektronikindustrie, weil Prüfvorrichtungen aus Quantevo mit Kohlenstoffnanoröhren einen Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) bieten, und im medizinischen Bereich, weil Teile aus Xanevo aufgrund seiner Steifigkeit als Schutz dienen können Kostengünstiger Einwegersatz für Bohrschablonen aus Metall.

„Wir entwickeln Verbundwerkstoffe auf Endlosfaserbasis, die später in diesem Jahr bekannt gegeben werden. Diese Materialien ermöglichen in Verbindung mit unserer Software den 3D-Druck großer Luft- und Raumfahrt- und Industrieteile mit vergleichbarer Festigkeit wie Metall, aber nur einem Drittel des Gewichts“, sagt Hemant Bheda, Präsident von Arevo Labs. Im vergangenen Jahr begann das Unternehmen außerdem mit dem Angebot einer schlüsselfertigen 6-Achsen-Roboter-3D-Druckplattform; Das ultimative Ziel besteht darin, einen Bauprozess zu definieren, der ein Teil kontinuierlich neu ausrichtet, um den Bedarf an Stützmaterial zu vermeiden.

Vor fast zwei Jahren kündigte Avante Technology sein erstes Produkt aus einer Reihe von AM-Materialien in technischer Qualität an, das FilaOne GREEN Advanced Composite-Filament, das für den Einsatz in kostensparenden Desktop-3D-Druckern entwickelt wurde. Nach Angaben des Unternehmens ist dieses proprietäre Material stärker und widerstandsfähiger als ABS und PLA (Polymilchsäure), sicherer und einfacher zu drucken als ABS oder Nylon (ohne schädliche Ausgasungen) und wird nicht durch Feuchtigkeit oder Nässe beeinträchtigt. FilaOne GREEN druckt bei 210 °C und zersetzt sich auch auf der Mülldeponie.

Das Unternehmen hat jetzt FilaOne GREY auf den Markt gebracht, ein robustes und dennoch flexibles Filament, das außerdem hydrophob ist, bei 220 °C druckt und sich als äußerst chemikalienbeständig erwiesen hat. Bob Zollo, Präsident von Avante Technology, sagt: „Eine der einzigartigen Eigenschaften dieses mit Kohlenstoffnanoröhren verstärkten Materials ist seine Kombination aus hoher Biegefestigkeit und hoher Elastizität; es erholt sich mit minimaler Haar- oder Rissbildung unter starker Belastung.“ Er fügt hinzu: „Die Industrie benötigt Hunderte neuer Materialien und Formulierungen. Wir versuchen, eine Reihe von Materialien zu entwickeln, die auf erschwinglichen Systemen „echte“ Teile herstellen.“ Das Unternehmen vermarktet außerdem Druckbett-Haftfolien, die für jedes seiner Filamente optimiert sind, sowie die Reparatur-/Validierungssoftware Emendo STL-Dateien.

Graphene 3D Lab hat eine sehr positive Resonanz auf seine Verbundwerkstoffe für den 3D-Druck erhalten. Eine beeindruckende Anwendung seines Graphenfilaments sind kapazitive Touch-Interaktionsgeräte für Ideum-Smart-Tables, wie sie beispielsweise bei der geführten Weinprobe für den JCB Tasting Salon in Yountville, Kalifornien, zum Einsatz kommen. Dabei werden 3D-gedruckte kapazitive Sockel auf den Weingläsern eingesetzt, um wechselnde Informationsanzeigen auszulösen. Ein eher technisches Beispiel ist ein 3D-gedruckter Joystick oder eine Stifteinheit, die es Benutzern ermöglicht, mit 3D-CAD-Dateien auf Ideum-Displays zu interagieren. Leitfähige Schaltkreise und EMI/RF-Abschirmung sind weitere Anwendungen.

Das Unternehmen hat kürzlich ein PLA/Eisen-Filament angekündigt, das magnetisch leitend ist und sich für die Herstellung von Schaltern, Sensoren und Aktoren eignet. Darüber hinaus verfügt das Graphene 3D Lab über mehrere Abteilungen, die an einer Vielzahl fortschrittlicher Technologieprojekte für 3D-Drucker der nächsten Generation arbeiten. „Wir stellen fortschrittliche Materialien für den 3D-Druck und außerhalb des 3D-Drucks her. Um die Spannung und Herausforderung aufrechtzuerhalten, möchten wir nicht nur statische Objekte herstellen, sondern auch Elektronik, Lichtquellen, Batterien usw. in 3D drucken. Wir sind nicht auf Filamente beschränkt; Zukünftige 3D-Drucker werden verschiedene Techniken kombinieren“, sagt Elena Stolyarov, Co-CEO und Präsidentin von Graphene 3D Lab.

Natürlich bietet Stratasys mit seiner Connex3 PolyJet Digital Materials-Technologie Optionen für Verbundwerkstoffe an, die in Echtzeit während eines Drucklaufs Teile mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugen. Wenn Sie jedoch glauben, alle möglichen Ansätze für den 3D-Druck im Allgemeinen und die Verwendung von Verbundwerkstoffen im Besonderen zu kennen, müssen Sie möglicherweise noch einmal darüber nachdenken.

Betrachten Sie das medizinische Implantatunternehmen Amedica aus Salt Lake City, UT. Im Jahr 2008 erhielt das Unternehmen von der FDA die 510(k)-Zulassung für das erste Wirbelsäulenfusionsgerät aus Siliziumnitrid. Das Unternehmen befindet sich derzeit in der ersten Phase der Arbeit mit diesem proprietären Keramikkomposit in Form einer Aufschlämmung und nutzt einen Roboterabscheidungsprozess (3D-Fertigungsprozess), um andere Implantate (z. B. Wirbelsäule, Knie, Hüfte) herzustellen. Mike Houston, Vizepräsident für Kommerzialisierung bei Amedica, sagt, das Ziel der zweiten Phase des Projekts bestehe darin, Teile mit höherer Auflösung zu erzeugen, die es ihnen ermöglichen, feinere Produkte wie Zahnimplantate in 3D zu drucken. „Unsere dritte Phase besteht darin, den Prozess zur Herstellung poröser Siliziumnitridimplantate zu verbessern, und zwar nicht nur für orthopädische Anwendungen. In der Lage zu sein, ein resorbierbares Gerüst für die rekonstruktive Chirurgie in 3D zu drucken und anzupassen, das belastbar, knochenfreundlich und antibakteriell ist – wir sind gespannt, was die Zukunft in diesem Bereich bereithält“, sagt er.

Aeroprobe mit Sitz in Christiansburg, VA, schreitet nach neun Jahren ruhiger Forschung und Entwicklung in die Kommerzialisierungsphase seiner additiven Reibrühr-Abscheidungstechnologie voran. Firmenchef Nanci Hardwick erklärt, dass dieses Verfahren, das vor etwa 30 Jahren allgemein entwickelt wurde, ähnliche Ergebnisse wie andere Festkörperverfahren liefert. „Jedes Mal, wenn man keine Metalle schmilzt“, sagt sie, „hat es Vorteile. Wer Metallpulver entwickelt, weiß, dass eine schnelle Erstarrung eine höhere Festigkeit bietet; Wenn man es schmilzt, verliert man diese Kraft.“

Das Aeroprobe-System unterstützt den Bau wirklich großer Teile mit einer hohen Abscheidungsrate und erfolgt über zwei Materialtrichter. Das Unternehmen hat mit einer breiten Palette von Grundmaterialien wie Magnesium, Aluminium, Stahl und Nickellegierungen sowie festen oder pulverförmigen Verstärkungsmaterialien wie Siliziumkarbid, Wolfram, Tantal und Niob gearbeitet. Hardwick weist darauf hin, dass es sich um ein offenes System handelt und ihr Unternehmen mit Kunden zusammenarbeiten wird, um Teile entweder hinsichtlich Festigkeit oder Duktilität zu optimieren. Die Angebotserstellung ist jetzt im Gange.

Zuletzt umfassen zwei weitere Verbundforschungsprogramme, die es wert sind, verfolgt zu werden, den 3D-Druck eines UV-gehärteten Harzes, das ultraschallausgerichtete Glasmikrofasern enthält (Advanced Composites Centre for Innovation and Science, University of Bristol) und die Entwicklung von Designrichtlinien für AM mit Verbundwerkstoffen (pd|z Product Development). Gruppe, ETH Zürich).

Pamela Waterman arbeitete zwei Jahrzehnte lang als Redakteurin für Digital Engineering. Kontaktieren Sie sie über . (JavaScript muss aktiviert sein, um diese E-Mail-Adresse anzuzeigen).