Guide till material för 3D-utskrift: kompositmaterial

Källa: 3dnatives.com

Kompositmaterial skapas genom att kombinera minst två olika material. Ett fungerar som matris och har till syfte att bibehålla strukturen, medan det andra tillför ytterligare egenskaper som förstärkningsmaterial. Målet med ett kompositmaterial är att addera ytterligare egenskaper till grundmaterialet och, vid behov, neutralisera dess kritiska svagheter. Genom att lägga till respektive förstärkningsmaterials egenskaper till grundmaterialet uppnår det senare bättre mekaniska egenskaper, en annan färg, flamskydd, stabilitet, bärförmåga, etc. Kompositmaterial klassificeras generellt efter sina materialegenskaper (metalliska, mineraliska, keramiska, organiska) eller efter sin geometri. Baserat på geometriska egenskaper delas de in i:

• Partikelkompositer
• Fiberkompositer (korta, långa eller kontinuerliga)
• Skiktade och strukturerade kompositer

Fiberkompositer är särskilt vanliga. Kolfiber är troligen den mest spridda på marknaden, följt av glasfiber, vilket är ett annat av de mest använda materialen inom additiv tillverkning.

Egenskaper hos kompositmaterial i 3D-utskrifter

Förstärkta material för additiv tillverkning är ofta baserade på nylon, men även på ABS, PLA, PC och PETG. För närvarande är de mest använda kompositerna i 3D-utskrifter kolfiber, glasfiber och aramidfiber Kevlar (PPD-T). Dessa material erbjuder fördelar vid framställning av lätta men starka delar. För estetiska ändamål kan man även finna träfibrer, keramiska partiklar och växtfibrer i kombination med PLA. Som tidigare nämnts finns det olika typer av förstärkningar: korta, långa eller kontinuerliga fibrer. I det första fallet blandas korta fibrer, bestående av segment kortare än en millimeter, med konventionella termoplaster för att öka komponenternas styvhet och hållfasthet.

Bäst prestanda erhålls genom förstärkning med kontinuerliga fibrer. Processen att skapa delar med kontinuerliga fiberkompositer är inte lika enkel som med korta fiberkompositer, eftersom fibrerna måste integreras i termoplasten kontinuerligt allt eftersom termoplasten extruderas. Fibrerna kan även läggas enligt designtekniker som optimerar förhållandet mellan vikt och styrka samt materialförbrukningen, även kända som DfAM-tekniker (Design for Additive Manufacturing). Tack vare förstärkning med kontinuerliga fibrer är det möjligt att skapa delar som är lika starka som metall.

En 3D-utskriven del med kolfiberförstärkning, med ett högre förhållande mellan vikt och styrka samt lägre materialförbrukning

3D-utskriftstekniker som använder kompositer

Inom additiv tillverkning förekommer kompositmaterial främst i form av filament och används därför huvudsakligen vid FDM-utskrifter. Det finns dock även metoder för metallkompositer i laserprocesser, såsom LPBF, som börjar göra sig gällande. Fraunhofer har exempelvis utvecklat en process för att använda lasersvetsning (LMD) med metallkompositer. Detta understryker trenden att additiv tillverkning av kompositer vinner mark, och det förväntas att andra tekniker i framtiden kommer att möjliggöra 3D-utskrift av kompositer.

I huvudsak skiljer sig 3D-utskriftstekniker för kompositer åt beroende på vilken typ av komposit som används. Kortfiberkompositer kan extruderas med den vanliga FDM-processen, eftersom filamentet redan innehåller fibern. Dessutom kan utskriftskvaliteten påverkas av mängden krossade fibrer i matrisen. Kortfiberkompositer förstärker hela komponenten jämnt. Över en viss gräns förlorar dock den 3D-utskrivna delen ytfinish. Å andra sidan är 3D-utskrift med kontinuerliga fibrer en mer komplicerad process som kräver två munstycken som skriver ut samtidigt. Vanligtvis extruderar ett munstycke termoplasten och det andra fibern. En skrivare som möjliggör detta är Markforged Mark Two. Den sistnämnda för in långfiber-material i de delar den skapar med FDM-processen. På så sätt förstärks delarna endast där det faktiskt är nödvändigt och önskat.

Till vänster kan du se korta fibrer, sammansatta av segment kortare än en millimeter. Till höger, filamentet förstärkt med korta fibrer.

Vid FDM-3D-utskrift med kompositmaterial krävs ofta ett munstycke med större diameter. Normalt anger tillverkaren vilken inställning som ska göras. För glasfiber måste munstycket ställas in på en diameter på minst 0,6 mm, för kolfiber 0,4 mm, och för kevlar börjar man med 0,6 mm för att sedan gradvis gå ner till 0,4 mm. Om kompositen innehåller träpartiklar måste diametern ställas in mellan 0,6 mm och 0,8 mm.

Dessutom bör man notera att kompositfilament kan orsaka ökat slitage på hotend, slangar och extruderns komponenter. För att undvika detta rekommenderas användning av härdade munstycken, särskilt för kolfiber-, glasfiber- och kevlarfilament. Det är också viktigt att placera rullen korrekt under utskriften för att optimera vägen till extrudern så att den inte blir för lång. Utöver dessa försiktighetsåtgärder är det nödvändigt att, på grund av kompositfilamentens högre viskositet, sänka utskriftshastigheten och inte använda grundmaterialets hastighet. Trots detta erbjuder kompositmaterial fördelen att de nästan inte krymper alls när de svalnar, vilket minskar sannolikheten för utskriftsfel som skevhet (warping).

Cykelramen från AREVO skapades med 3D-utskrift med kontinuerliga fibrer | Credits: AREVO

Användningsområden för kompositmaterial

Att kunna skriva ut med förstärkningsmaterial har varit målet för ett flertal startups inom 3D-utskriftsbranschen. Under de senaste åren har vi sett lanseringen av ett växande antal maskiner och tekniker för att möjliggöra nya tillämpningar, särskilt inom industrisektorer som flyg- och bilindustrin. Som redan nämnts är kolfiber ett av de mest använda kompositmaterialen inom 3D-utskrift, framför allt för krävande tillämpningar såsom funktionella prototyper, bildelar och starka men lätta komponenter. Följaktligen blir kolfiberkompositer allt populärare även inom sportsektorn. Elitidrottare använder kolfiber för att skapa lättare och därmed snabbare cyklar. Dessa fördelar utnyttjas också inom Formel 1, bilindustrin och till och med i sporter som tennis och rodd.

Marknaden för kompositmaterial växer och nya materialkombinationer kommer att möjliggöra nya tillämpningar. Ingenjörsmaterial utforskar användningen av additiva förstärkningskomponenter. I Kina har forskare studerat fördelarna med att tillsätta kolfiber till högpresterande termoplaster som PEEK, medan Sandvik skapade den första diamantkompositen 2019. Normalt är det inte möjligt att använda diamant inom additiv tillverkning eftersom det är för hårt. Genom att skapa en diamantkomposit kan dock materialets egenskaper användas för många hårda verktyg (brytning, borrning eller bearbetning) och även för medicinska implantat!

Diamantkompositen skapad av Sandvik

Tillverkare av kompositfilament och 3D-skrivare

Naturligtvis tenderar kompositmaterial att vara dyrare än standardmaterial. Priserna varierar dock beroende på tillverkare och vilken komposit som används. Priset för en rulle varierar från 150 till 500 euro. Ett kompositmaterial kräver också en skrivare med särskilda egenskaper för användning. Sådana skrivare är ofta utrustade med en egen teknik, som beskrivs och marknadsförs på olika sätt av tillverkarna. Markforged har till exempel utvecklat CFF-teknik (Continuous Carbon Fiber) för sina kompositskrivare. Anisoprint har kallat det CFC (Continuous Fiber Coextrusion). Ett känt namn som läggs till listan över kompositskrivare är Stratasys. Med 3D-skrivarna F190 CR och F370 CR har Stratasys utökat F123-serien för att erbjuda skrivare som är kompatibla med kompositmaterial, särskilt de med hög styvhet och hållfasthet.

En annan intressant teknik är den som patenterats av AREVO. Den bygger på metoden för riktad energitillförsel (Directed Energy Deposition), som använder en laser för att samtidigt värma upp filamentet och kolfibern medan en rulle pressar ihop dem. Det schweiziska företaget 9T Labs har till exempel utvecklat ett kompletterande system för vanliga 3D-skrivare som möjliggör 3D-utskrift av kompositmaterial. Denna 3D-utskriftsprocess kallas AFT (Additive Fusion Technology). Slutligen använder Continuous Composites en hybridteknik där fibergarnet impregneras med harts och sedan härdas med UV-ljus, liknande SLA-3D-utskrifter.

Anisoprints programvara kan generera olika typer av fyllningar förstärkta med kontinuerliga fibrer

Bland tillverkarna av kompositfilament finns även välkända namn. Markforged erbjuder kompositer av glasfiber och Kevlar. Owens Corning är också kända för sina glasfiberförstärkta material. Även Formfutura, BASF och XYZPrinting har lagt till kompositfilament i sitt sortiment. Bland kortfiberkompositer utmärker sig filamenttillverkarna Roboze, 3DXTech och ColorFabb.