FDM folyamatos szálerősítés
Markforged FDM/CFR folyamatos szálerősítéssel történő nyomtatás
A Markforged, Egyesült Államokbeli cég által fejlesztett kompozit 3D nyomtatás segítségével akár a fémeknél erősebb alkatrészeket is nyomtathatunk. MarkTwo nyomtató működésén keresztül szeretnénk bemutatni ezt az additív gyártási technológiát
Forrás: internet és a cikk írójának tapasztalatai
Műanyag alapanyagok fejlesztése elérte azt a szintet, amikor egy polimer alkatrész akár erősebb igénybevételeket is elvisel, mint egy fém, pl alumínium alkatrész. A technológia kiemelkedő képviselője a Markforged, melynek asztali nyomtatójának működésén keresztül mutatjuk be a technológiát. Folyamatos szálerősítésű nyomtatás eredményeinek köszönhetően kiemelkedően népszerű lett a gépműhelyek, szerszámgépeket, alkatrészeket gyártó cégeknél.
Videón egy kevlár szálerősítésű alkatrész nyomtatása látható:
Eljárással kapcsolatban a szakma három fő technológiát ír le:
- towpreg, amelynél az erősítőszál már a feldolgozás előtt be van ágyazva a polimer mátrixba,
- in situ impregnálás, amely a rostszál a polimer mátrixba ágyazva kerül az extrudálás helyére,
- végül a towpreg-gel történő koextrudálás, ahol a szálerősítő anyagot már extrudált hőre lágyuló alapanyag nyomtatási mátrixba ágyazzák be.
A különböző megközelítések fő felhasználási területei nagyrészt azonosak. Ebben a cikkben a towpreg-el történő koextrudálásra összpontosítunk, mivel ezt az eljárást használják a Markforged nyomtatói.
Pár képen keresztül szemléltetjük az Eiger szeletelő működését, melyen jól láthatóak a szálerősítés beállításai:
Folyamatos szálerősítés elve az építőipar területén, pl a vasbeton szerkezetekben már működik, hisz a vasbeton szerkezet statikai és dinamikai erők elleni védelmét az x és y irányban húzott és összekötött acélszálak adják.
Ugyanígy a szénszálak és más típusú szálak is pontosan elhelyezhetők egy filament alapú 3D-nyomtatásban. Ez a folyamatos szálerősítésű kompozit 3D nyomtatás alapelve. A számítógépes numerikus (G-code) vezérlésű gyártási módszer lévén a folyamatos szálas 3D-nyomtatás pontos ellenőrzést tesz lehetővé az erősítőanyagok pozicionálása felett. Ez nem csak izotróp – erősítés esetén alkalmazható, hanem a külső és a belső falakra különböző sűrűségben is, x és irányban elhelyezhető.
A szálstratégiától függően növelheti az olyan jellemzőket, mint a falak szilárdsága, menetek és üregek deformációjával szembeni ellenállása, erősíti az X és Y tengely hajlítási ellenállását anélkül, hogy jelentősen megnövelné az alkatrész súlyát.
Fontos, hogy a folyamatos szálerősítésű technológiát nem szabad összekeverni a már gyártás során erősítőszálakkal ellátott alapanyagok teljesítményével.
A kettő különbözik egymástól. A szálas töltetű anyagok jobb szilárdságot, valamint vegyszer- és hőállóságot biztosítanak a hőre lágyuló filamentszálaknak. A nyomatba ágyazott folytonos szál (még a szénszálakkal töltött alapanyagoknál, mint például a Markforged Onyx alapanyaga) specifikus megerősítést és szilárdsági előnyöket biztosít bizonyos geometriák alapján a nyomtatott alkatrészek számára.
Helyes például azt mondani, hogy a Markforged Mark Two egy szénszálas 3D nyomtató – az általa használt Onyx alapanyag apróra vágott szénszálakkal van töltve, és önmagában is erős és sokoldalú anyag. A Mark Two azonban egy folytonos szálerősítésű 3D nyomtató is, amely képes egy speciális, rendkívül erős kompozitszál beágyazására (igényeknek megfelelően több fajta erősítőszál használható), hogy megerősítsék a nyomtatott alkatrészt.
Hogy is dolgozik a MarkTwo?
A Mark Two vitathatatlanul az első név az asztali szálerősítésű 3D nyomtatásban. Jelenleg a második generációs változatban bevált asztali "igásló" 3D-nyomtatóként, mely megnyitotta az utat a vállalat számos hasonló, speciális és bővített opciói előtt. Ennek oka valószínűleg a gép egyértelmű gyártási előnye és egyszerűsége.
A Mark Two az, amit egyébként kettős extrudálású 3D nyomtatónak tekintenének. A spártai fémlemezkülső alatt az említett kettős extrudálási rendszer olgozik.
Mindegyik extrudálási út újszerű. Az egyik szigorúan a Markforged 1,75 mm-es hőre lágyuló szálaihoz tartozik, beleértve az Onyx aprított szénszállal töltött poliamid alapanyagát. A másik extruder kezeli a szálerősítő anyagokat, amelyek a nyomtató belső falán található mágneses orsótartón helyezhetőek el. A szálerősítés jelentősége a szeletelő szoftverben rejlik, ahol a nyomtatási és megerősítési stratégiák beállításai válnak lehetővé.
A Mark Two esetében ez a szoftver az Eiger, a Markforged felhőalapú nyomtatás-előkészítő és -gyártási eszköze. A szoftverben állíthatóak be a kezelt alapanyagok és az erősítőszálak, melyek lehetnek:
Az izotróp szálak szorosan egymásra épülő párhuzamos vonalakban haladnak át egy rétegen, váltakozva a szögek között több rétegben az egyenletesség érdekében (általában alapértelmezés szerint 0, 45, 90, 135 fok, de ez testreszabható).
A koncentrikus szál követi a nyomat jellemzőinek kerületét. Beállítás szerint lehet csak a külső falakat, a belső lyukakat vagy az összeset erősíti meg.