Przewodnik po materiałach do druku 3D: kompozyty

Źródło: 3dnatives.com

Materiały kompozytowe powstają z połączenia co najmniej dwóch różnych materiałów. Jeden z nich pełni rolę osnowy i ma za zadanie utrzymać strukturę, podczas gdy drugi dostarcza dodatkowych właściwości jako materiał zbrojeniowy. Celem materiału kompozytowego jest nadanie materiałowi bazowemu dodatkowych właściwości oraz, w razie potrzeby, zneutralizowanie jego krytycznych słabości. Dzięki dodaniu właściwości odpowiedniego materiału zbrojeniowego do materiału bazowego, uzyskuje on lepsze właściwości mechaniczne, inny kolor, ognioodporność, stabilność, nośność itp. Materiały kompozytowe dzielą się globalnie ze względu na swoje cechy materiałowe (metaliczne, mineralne, ceramiczne, organic zne) lub ze względu na swoją geometrię. W zależności od właściwości geometrycznych dzielą się na:

• Kompozyty cząsteczkowe
• Kompozyty włókniste (krótkie, długie lub ciągłe)
• Kompozyty warstwowe i strukturalne

Kompozyty włókniste są szczególnie powszechne. Prawdopodobnie najpopularniejszym na rynku jest włókno węglowe, a zaraz po nim włókno szklane, które jest jednym z najczęściej wykorzystywanych w produkcji addytywnej.

Właściwości materiałów kompozytowych w druku 3D

Materiały zbrojone do produkcji addytywnej często bazują na nylonie, ale także na ABS, PLA, PC i PETG. Obecnie najczęściej stosowanymi kompozytami w druku 3D są włókno węglowe, włókno szklane oraz włókno aramidowe Kevlar (PPD-T). Materiały te oferują zalety w zakresie tworzenia lekkich, a jednocześnie wytrzymałych części. W celach estetycznych można również znaleźć włókna drzewne, cząstki ceramiczne i włókna roślinne w połączeniu z PLA. Jak już wspomniano, istnieją różne rodzaje zbrojeń: włókna krótkie, długie lub ciągłe. W pierwszym przypadku włókna krótkie, składające się z segmentów o długości poniżej jednego milimetra, są mieszane z konwencjonalnymi termoplastami w celu zwiększenia sztywności i wytrzymałości komponentów.

Najlepsze parametry uzyskuje się dzięki zbrojeniu włóknami ciągłymi. Proces tworzenia części z kompozytów z włókien ciągłych nie jest tak prosty, jak w przypadku kompozytów z włókien krótkich, ponieważ włókna muszą być w sposób ciągły wprowadzane do termoplastu w miarę jego wytłaczania. Włókna mogą być również układane zgodnie z technikami projektowania, które optymalizują stosunek masy do wytrzymałości części oraz zużycie materiału, znane również jako techniki DfAM (Design for Additive Manufacturing). Dzięki zbrojeniu włóknami ciągłymi możliwe jest tworzenie części wytrzymałych niczym metal.

Część wydrukowana w 3D przy użyciu zbrojenia z włókna węglowego, o wyższym stosunku masy do wytrzymałości i niższym zużyciu materiału

Technologie druku 3D wykorzystujące kompozyty

W produkcji addytywnej materiały kompozytowe występują głównie w postaci filamentów i są zatem stosowane przede wszystkim w druku FDM. Niemniej jednak, pojawiają się również podejścia do kompozytów metalicznych w procesie laserowym, takim jak LPBF. Na przykład instytut Fraunhofer opracował proces wykorzystania napawania laserowego (LMD) z kompozytami metalicznymi. Podkreśla to tendencję produkcji addytywnej kompozytów do zdobywania coraz większego udziału w rynku i przewiduje się, że w przyszłości kolejne technologie umożliwią druk 3D kompozytów.

W zasadzie technologie druku 3D kompozytów różnią się w zależności od rodzaju użytego kompozytu. Kompozyty z włókien krótkich mogą być wytłaczane w standardowym procesie FDM, ponieważ filament zawiera już włókno. Ponadto na jakość druku może wpływać ilość włókien zmielonych w osnowie. Kompozyty z włókien krótkich równomiernie wzmacniają cały element. Jednak powyżej pewnego progu część wydrukowana w 3D traci na jakości powierzchni. Z drugiej strony druk 3D z włókien ciągłych jest bardziej skomplikowanym procesem, wymagającym jednoczesnej pracy dwóch dysz. Zazwyczaj jedna dysza wytłacza termoplast, a druga włókno. Drukarką, która to umożliwia, jest Markforged Mark Two. Wprowadza ona materiały z włókien długich do części tworzonych w procesie FDM. Dzięki temu elementy są wzmacniane tylko tam, gdzie jest to rzeczywiście konieczne i pożądane.

Po lewej stronie można zobaczyć włókna krótkie, składające się z segmentów o długości poniżej jednego milimetra. Po prawej stronie filament wzmocniony włóknami krótkimi.

W druku 3D FDM z materiałami kompozytowymi często konieczna jest dysza o większej średnicy. Zazwyczaj producent określa, jakie ustawienia należy zastosować. W przypadku włókna szklanego dysza musi być ustawiona na średnicę co najmniej 0,6 mm, w przypadku włókna węglowego na 0,4 mm, a dla kevlaru zaczyna się od 0,6 mm, a następnie stopniowo schodzi do 0,4 mm. Jeśli kompozyt zawiera cząstki drewna, należy ustawić średnicę między 0,6 mm a 0,8 mm.

Ponadto należy zauważyć, że filamenty kompozytowe mogą powodować większe zużycie hotendu, rurek i podzespołów ekstrudera. Aby temu zapobiec, zaleca się stosowanie utwardzanych dysz, zwłaszcza w przypadku filamentów węglowych, szklanych i kewlarowych. Ważne jest również prawidłowe umieszczenie szpuli podczas drukowania, aby zoptymalizować ścieżkę do ekstrudera, tak aby nie była zbyt długa. Oprócz tych środków ostrożności, ze względu na większą lepkość filamentów kompozytowych, należy zmniejszyć prędkość druku i nie używać prędkości typowej dla materiałów bazowych. Niemniej jednak materiały kompozytowe oferują tę zaletę, że prawie w ogóle nie kurczą się podczas stygnięcia, a zatem rzadziej powodują błędy druku, takie jak wypaczenia (warping).

Rama rowerowa AREVO została stworzona przy użyciu druku 3D z włókien ciągłych | Źródło: AREVO

Zastosowania materiałów kompozytowych

Zdolność do drukowania z materiałów zbrojonych była celem wielu startupów w branży druku 3D. W ostatnich latach zauważyliśmy wprowadzenie na rynek rosnącej liczby maszyn i technologii umożliwiających nowe zastosowania, szczególnie w sektorach przemysłowych, takich jak lotnictwo i motoryzacja. Jak wspomniano, włókno węglowe jest jednym z najczęściej stosowanych materiałów kompozytowych w druku 3D, zwłaszcza w wymagających zastosowaniach, takich jak prototypy funkcjonalne, części samochodowe oraz elementy wytrzymałe, a jednocześnie lekkie. W rezultacie kompozyty z włókna węglowego stają się coraz bardziej popularne również w sporcie. Elitarni sportowcy używają węgla do tworzenia lżejszych, a więc szybszych rowerów. Zalety te są również wykorzystywane w Formule 1, przemyśle motoryzacyjnym, a nawet w sportach takich jak tenis czy wioślarstwo.

Rynek materiałów kompozytowych rośnie, a nowe kombinacje materiałowe umożliwią kolejne zastosowania. Inżynierowie badają wykorzystanie komponentów zbrojących w produkcji addytywnej. W Chinach naukowcy badali korzyści płynące z dodawania włókien węglowych do wysokowydajnych termoplastów, takich jak PEEK, natomiast firma Sandvik stworzyła w 2019 roku pierwszy kompozyt diamentowy. Zazwyczaj nie jest możliwe użycie diamentu w produkcji addytywnej, ponieważ jest zbyt twardy. Jednak poprzez stworzenie kompozytu diamentowego, właściwości materiału mogą być wykorzystane do wielu twardych narzędzi (wydobycie, wiercenie lub obróbka), a nawet implantów medycznych!

Kompozyt diamentowy stworzony przez firmę Sandvik

Producenci filamentów kompozytowych i drukarek 3D

Oczywiście materiały kompozytowe są zazwyczaj droższe niż materiały standardowe. Jednak ceny różnią się w zależności od producenta i zastosowanego kompozytu. Cena szpuli waha się od 150 do 500 euro. Materiał kompozytowy wymaga również drukarki o specjalnych właściwościach do jego użycia. Takie drukarki są często wyposażone we własną technologię, opisywaną i wprowadzaną na rynek w różny sposób przez producentów. Firma Markforged, na przykład, opracowała technologię CFF (Continuous Carbon Fiber) dla oferowanych przez siebie drukarek do kompozytów. Anisoprint nazwała ją CFC (Continuous Fiber Coextrusion). Znana nazwa, która dołącza do listy drukarek do kompozytów, to Stratasys. Wraz z drukarkami 3D F190 CR i F370 CR, firma Stratasys rozszerzyła serię F123, aby oferować drukarki kompatybilne z materiałami kompozytowymi, zwłaszcza tymi o wysokiej sztywności i wytrzymałości.

Kolejną interesującą technologią jest ta opatentowana przez AREVO. Opiera się na technice kierunkowego dostarczania energii, która wykorzystuje laser do jednoczesnego podgrzewania filamentu i włókna węglowego, podczas gdy wałek dociska je do siebie. Szwajcarska firma 9T Labs opracowała system uzupełniający dla zwykłych drukarek 3D, który umożliwia druk 3D materiałów kompozytowych. Ten proces druku 3D nazywa się AFT (Additive Fusion Technology). Wreszcie, Continuous Composites wykorzystuje technologię hybrydową, w której przędza z włókien jest impregnowana żywicą, a następnie utwardzana światłem UV, podobnie jak w druku 3D SLA.

Oprogramowanie Anisoprint może generować różne rodzaje wypełnień wzmocnionych włóknami ciągłymi

Wśród producentów filamentów kompozytowych znajdują się również znane marki. Markforged oferuje kompozyty z włókna szklanego i kevlaru. Firma Owens Corning jest również znana ze swoich materiałów zbrojonych włóknem szklanym. Formfutura, BASF i XYZPrinting również dodały filamenty kompozytowe do swojej oferty. Wśród kompozytów z włókien krótkich wyróżniają się producenci filamentów Roboze, 3DXTech i ColorFabb.