Desktop Metal startet Continuous-Fiber-Desktop-3D-Drucker für Ingenieure

Desktop Metal (Burlington, Massachusetts, USA), ein auf Metall-3D-Druck für Produktentwicklung und Massenproduktion spezialisiertes Unternehmen, erweitert sein Technologieportfolio um den Composites-Bereich. 2015 gegründet mit der Mission, „3D-Druck für alle Ingenieure, Designer und Hersteller zugänglich zu machen“, brachte das Unternehmen bislang zwei Metall-3D-Drucktechnologien auf den Markt: das bürotaugliche Studio System und das Production System für hohe Volumen mit Druckgeschwindigkeiten bis 12.000 cm³/h. Nun präsentiert Desktop Metal nach eigenen Angaben den weltweit ersten echten Continuous-Fiber-Desktop-Drucker.

„Wir erweitern unser Angebot, um Continuous-Fiber-3D-Druck auf den Schreibtisch jedes Ingenieurs und Designers zu bringen“, sagt Ric Fulop, CEO und Gründer von Desktop Metal.

Marktlücke: Automatisierung kleiner Composite-Bauteile

Neuere Fortschritte in der additiven Fertigung haben deren Einsatz für Prototyping, Vorrichtungen, Werkzeuge und Lehren zunehmend verbreitet. Desktop Metal prognostiziert für das nächste Jahrzehnt ein 10- bis 50-faches Wachstum bei der Fertigung von Endverbrauchsteilen. Das Unternehmen erkannte eine Marktlücke bei der Automatisierung der Kleinbauteile-Fertigung aus Composites.

Den Einstieg in den Composites-Sektor markierte die Übernahme von Make Composites Inc. (Boston, USA), einem Startup von Konstantine Fetfatsidis – 2019 SAMPE Young Professional of the Year und zuvor Advanced Manufacturing R&D Lead bei Aurora Flight Sciences (ein Boeing-Unternehmen).

Fetfatsidis, nun Vice President of Composites Products bei Desktop Metal, erklärt seine Motivation: „Basierend auf meiner Erfahrung in Composites-R&D und im Aerostructures-Business-Development sah ich, was zugänglich war und welche Fertigungstechnologien verfügbar waren – und war ehrlich gesagt frustriert, dass Handlaminieren immer noch State-of-the-Art ist, besonders für kleinere Bauteile.“

Für Kleinteile – unter 20 Pfund (ca. 9 kg) – setzen Hersteller noch primär auf Handlaminieren. Solche arbeitsintensiven Prozesse erfordern Fachkräfte, teure Werkzeuge und viel Zeit, was die Gesamtkosten erhöht.

„Im Laufe meiner Karriere gab es so viele Anwendungen, wo wir Kohlefaser geliebt hätten – besonders bei Aurora an eVTOL-Konzepten – wegen Leichtbau, Steifigkeit und Festigkeit, aber die Kosten rechneten sich nicht“, sagt Fetfatsidis. „Ich dachte: Es muss einen besseren Weg geben, zu automatisieren, Prozessschritte zu konsolidieren, Werkzeuge und Durchlaufzeiten zu reduzieren – all die damit verbundenen Kosten.“

Herausforderungen bestehender Composites-3D-Druckverfahren

Versuche, die Kleinbauteile-Fertigung zu automatisieren, erreichten selten die Qualität von Handlaminieren – und schon gar nicht im Desktop-Verfahren. Bei den meisten heutigen Composites-3D-Druckern entsprechen die Harze nicht denen traditioneller Prozesse; viele nutzen proprietäre Materialien ohne die Performance qualifizierter Werkstoffe. Resultat: niedrigere Fasergehalte, höhere Porosität.

„Es gab bisher keine End-to-End-Lösung, um das auf Desktop-Niveau mit den Materialien zu machen, die Anwender gewohnt sind – bis jetzt“, sagt Fulop. „Wir kombinieren die Vorteile des 3D-Drucks mit Continuous-Fiber-Materialien, die für Hochleistungsanwendungen qualifiziert sind.“

Technologiebasis: Automated Fiber Placement (AFP) im Miniaturformat

Der neue Desktop-Drucker nutzt AFP-Technologie zur Herstellung hochwertiger faserverstärkter Thermoplast-Composite-Bauteile. Die Technologie greift auf dieselben Fertigungslinien zurück, die kommerzielle Prepreg-Tapes herstellen – und nutzt damit eine bestehende Lieferkette sowie das Wachstum im UD-Tape-Markt. Im Kern wird AFP für einen Desktop-Drucker skaliert; der ursprüngliche Projektname leitete sich von „Micro AFP Kinematic Extrusion system“ (Make) ab.

Der Drucker, genannt „Fiber“, ist als modulares Werkzeugwechselsystem für Büro- oder Produktionsumgebungen konzipiert und liefert industrielle Fertigungsvorrichtungen, Spannbacken, Werkzeuge und Lehren sowie Endverbrauchsteile. Der Bediener kann einen Micro-AFP-Kopf zum Materialauftrag nutzen, diesen parken und bei Bedarf auf einen Fused Filament Fabrication (FFF)-Kopf wechseln.

„Zum ersten Mal kombinieren Fiber-Drucker die Materialeigenschaften hochleistungsfähiger AFP-Continuous-Fiber-Materialien mit der Erschwinglichkeit und Geschwindigkeit eines Desktop-3D-Druckers“, sagt Fulop.

Materialien: Qualifizierte UD-Tapes statt Filament

Die Technologie verwendet dieselben UD-Tapes, die für Hochleistungsanwendungen qualifiziert sind. Der Drucker kann UD-Tapes mit verschiedenen Faser- und Thermoplast-Matrix-Systemen verarbeiten. Initial verfügbare Materialien:

• Polyamid 6 (PA6) mit Kohlefaser- und Glasfaserverstärkung
• Polyetheretherketon (PEEK) und Polyetherketonketon (PEKK) mit Kohlefaserverstärkung

Die Tapes im 3-mm-Format weisen typischerweise 12K-Tow-Fasern auf und werden auf proprietären Spulen geliefert. Ein einzelner 3-mm-Tow wird durch den Kopf geführt, bis er den Nippelbereich erreicht, wo ein berührungsloser Heizer den Thermoplast über seine Schmelztemperatur bringt und eine Kompaktionswalze Druck für die Konsolidierung des eingehenden Tapes auf dem Substrat ausübt. Ein Cutter im Kopf schneidet das Tape am Ende jedes Bahnenzugs.

Laut Fetfatsidis bieten die Tapes eine Lösung, die qualitativ hochwertiger, aber pro Liter mehr als 10-mal günstiger ist als 1K-Tow-Filament, das in extrusionsbasierten Continuous-Fiber-3D-Druckern verwendet wird. Die höhere Qualität der Tapes in Kombination mit der Möglichkeit, über den AFP-Prozess Druck auf das Bauteil auszuüben, führt zu höherer Festigkeit.

„Wir haben sehr hochwertige Tapes, die in AFP/ATL-Prozessen verwendet werden, mit sehr hohem Faseranteil – 60 % Kohlefaser – und kombinieren sie mit PEEK- oder PEKK-Hochtemperatur-Matrix“, sagt Fetfatsidis.

Bauteileigenschaften und Vorteile

Mit dem Fiber-System gefertigte Bauteile sollen stärker als Stahl, leichter als Aluminium und am Schreibtisch druckbar sein. Bauraum: 320 × 240 × 270 mm (12,6 × 9,4 × 10,6 Zoll). Vorteile:

• Continuous-Fiber-Verstärkung im gesamten Bauteil
• Sehr geringe Porosität: < 5 % bei PA6-Tapes, < 1 % bei PEEK/PEKK-Tapes
• Fasersteuerung für komplexe Formen oder spezifische Lastfälle
• Kein Autoklaven-Härten nötig (Thermoplaste)
• Keine Gefrierlagerung der Materialien erforderlich

„Dies ist das erste Produkt im 3D-Druck, das Continuous Carbon Fiber mit PEEK und PEKK in einem Desktop kombiniert“, sagt Fulop.

Anwendungsbeispiele

CNC-Spannvorrichtung: Durch 3D-Druck als Continuous-Fiber-Composite extrem steif, hält Spannzylinder fest während Bearbeitungsoperationen. Kohlefaser-Tape kann gezielt in höchstbelasteten Bereichen gelegt werden. Kohlefaser-verstärktes PEEK gewährleistet Stabilität bei hohen Temperaturen.

Kamerahalterung: Steifer und leichter als mit anderen Materialien druckbar. Schnelle Druckzeit und niedrige Materialkosten ermöglichen schnelle Design-Iteration.

Shroud Load Holder: Reduziert Fertigungsvorlaufzeit von Wochen auf Stunden, senkt Fertigungskosten um 95 %.

ESD-Endeffektor: Aus elektrostatisch entladungssicherem (ESD) kohlefaserverstärktem PA6 für PCB-Bestückungsprozesse. Extrem steif, leicht und lasttragfähig.

Erschwinglichkeit durch Abonnementmodell

Die meisten Systeme für Continuous-Fiber-Thermoplast-Tapes zur automatisierten Composite-Fertigung kosten Millionen Dollar. Desktop Metals Fiber-System ist in zwei Modellen per Abonnement erhältlich:

• Fiber HT: Continuous Composites mit < 1 % Porosität, bis 60 % Continuous-Fiber-Anteil, fortschrittliche Matrix (PEEK, PEKK). UL 94-V0 flammhemmend, bis 250 °C, ESD-konform. Einstiegspreis: 5.495 $/Jahr.
• Fiber LT: Hochfeste ESD-konforme, nicht-marrende Bauteile mit Continuous Fiber, < 5 % Porosität, PA6-Thermoplaste. Einstiegspreis: 3.495 $/Jahr.

„Wir wollen, dass Leute das System kaufen, es zu Hause oder im Büro auf dem Schreibtisch haben und PEEK-Teile mit Continuous Fiber fertigen können“, sagt Fetfatsidis.

„Für ein paar tausend Dollar kann man anfangen, Composite-Bauteile mit Hochleistung aus derselben Tape-Technologie herzustellen, die in High-End-AFP-gefertigten Teilen genutzt wird“, ergänzt Fulop.

Desktop Metal wird das Fiber Continuous-Fiber-Desktop-3D-Drucksystem auf der Formnext 2019 (19.–22. November, Frankfurt) präsentieren.