3D-Druck von Endlosfasern auf dem Desktop

Das neue Endlosfaser-Desktop-3D-Drucksystem von Desktop Metal Quelle | Desktop-Metall

Desktop Metal (Burlington, Massachusetts, USA), ein auf Metall-3D-Druck für die Produktentwicklung und Massenproduktion spezialisiertes Unternehmen, hat angekündigt, seine Technologie auf die Verbundwerkstoff-Community auszudehnen. Desktop Metal wurde 2015 mit der Mission gegründet, „3D-Druck für alle Ingenieure, Designer und Hersteller zugänglich zu machen“, und hat seitdem zwei 3D-Drucktechnologien auf den Markt gebracht – sein bürofreundliches Metall-3D-Druck-Studio-System und sein High -Volume Production System 3D-Metalldrucker, der Druckgeschwindigkeiten von bis zu 12.000 cm³ erreichen kann ³ /Std. Jetzt stellt das Unternehmen den angeblich weltweit ersten echten Endlosfaser-Desktopdrucker vor.

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

Die jüngsten Fortschritte in der additiven Fertigung haben dazu geführt, dass ihr Einsatz für das Prototyping sowie für Vorrichtungen, Vorrichtungen und Werkzeuge immer weiter verbreitet wird. Desktop Metal prognostiziert, dass die Technologie in den nächsten zehn Jahren ein 10- bis 50-faches Wachstum als Mittel zur Herstellung von Endverbrauchsteilen erfahren wird. Das Unternehmen erkannte die Chance auf dem Markt, den 3D-Druck in einen unterversorgten Bereich zu bringen – die Automatisierung der Herstellung kleiner Verbundwerkstoffteile. Zum Einstieg in den Verbundwerkstoffsektor hat Desktop Metal kürzlich Make Composites Inc. (Boston, Massachusetts, USA) übernommen, ein von Konstantine Fetfatsidis gegründetes Startup-Unternehmen. Fetfatsidis wurde kürzlich zum SAMPE Young Professional of the Year 2019 ernannt und war zuvor als F&E-Leiter für fortschrittliche Fertigung bei Aurora Flight Sciences (Manassas, Virginia, USA), einem Boeing-Unternehmen, tätig.

Fetfatsidis, jetzt Vice President of Composites Products für Desktop Metal, erklärt seine Inspiration für die Gründung von Make. „Basierend auf meiner Erfahrung in der Forschung und Entwicklung von Verbundwerkstoffen und auch in der Geschäftsentwicklung von Flugzeugstrukturen im Umgang mit Kunden konnte ich sehen und arbeiten mit dem, was zugänglich war und den verschiedenen verfügbaren Fertigungstechnologien, und ehrlich gesagt war ich ein wenig frustriert, dass das Handlaminieren immer noch auf dem neuesten Stand ist -the-art, insbesondere für die kleineren Teile“, sagt er.

Er argumentiert, dass sich die Hersteller bei kleinen Teilen – weniger als 20 Pfund – immer noch hauptsächlich auf Handlaminierung verlassen. Solche arbeitsintensiven Prozesse erfordern Techniker, teure Werkzeuge und viel Zeit, was die Gesamtkosten für die Herstellung eines Teils erhöht.

„Während meiner Karriere gab es so viele Anwendungen, bei denen wir Kohlefaser gerne verwendet hätten – insbesondere bei Aurora während der Arbeit an eVTOL-Konzepten – wegen ihrer Leichtbaueigenschaften, Steifigkeit und Festigkeit, aber die Kosten summierten sich einfach nicht. “ sagt Fetfatsidis. „Ich dachte mir, es muss einen besseren Weg geben, um die Prozessschritte der traditionellen Fertigung zu automatisieren, die Anzahl der Prozessschritte zu konsolidieren, die Werkzeugausstattung zu reduzieren und die Durchlaufzeiten zu reduzieren – alle damit verbundenen Kosten.“

Obwohl versucht wurde, die Herstellung kleiner Verbundteile zu automatisieren, erreichen die Eigenschaften selten die Qualität, die industrielle Anwender vom Handlaminieren gewohnt sind, und schon gar nicht im Desktop-Verfahren. Beim heutigen 3D-Druck von Verbundwerkstoffen sind die Harze oft nicht die gleichen wie bei herkömmlichen Verfahren, und viele Drucker verwenden proprietäre Materialien, die nicht die gleiche hohe Leistung wie qualifizierte Materialien bieten, was zu Ungleichmäßigkeit und Qualitätsschwankungen führt. Die resultierenden Teile haben typischerweise einen geringeren Faservolumengehalt und eine höhere Porosität als von Hand hergestellte Teile.

„Bis jetzt gab es wirklich keine End-to-End-Lösung, um dies auf Desktop-Ebene mit den Materialien zu tun, an die die Leute gewöhnt sind“, sagt Fulop. „Wir kombinieren die Vorteile des 3D-Drucks mit Endlosfasermaterialien, die für Hochleistungsanwendungen qualifiziert sind.“

CNC-Halterung: Durch den 3D-Druck dieser CNC-Halterung als Endlosfaserverbund auf dem Fiber-System kann das Teil extrem steif gemacht werden, sodass die Schließzylinder während der Bearbeitung fest in Position gehalten werden können. Kohlefaserband kann selektiv verlegt werden, um die Steifigkeit in Abschnitten der Halterung zu erhöhen, die der höchsten Belastung ausgesetzt sind. Bearbeitungsvorrichtungen müssen oft extremen Temperaturen standhalten und der Einsatz von carbonfaserverstärktem PEEK sorgt für Stabilität bei hohen Temperaturen. Durch den 3D-Druck auf dem neuen Fiber-System können Maschinenbauer in der Lage sein, ein optimiertes Vorrichtungsdesign zu verwenden, das sonst zu zeitaufwändig und teuer in der Bearbeitung gewesen wäre. Quelle | Desktop-Metall

Basierend auf Bändern

Der neue Desktop-Drucker von Desktop Metal verwendet die Technologie der automatischen Faserplatzierung (AFP), um hochwertige faserverstärkte thermoplastische Verbundteile herzustellen. Die Technologie nutzt dieselben Fertigungslinien, die kommerzielle Prepreg-Bänder herstellen, und erschließt so eine bestehende Lieferkette und nutzt das bereits vorhandene Wachstum auf dem Markt für unidirektionale (UD) Bänder. Im Wesentlichen nimmt die Technologie AFP und verkleinert es für einen Desktop-Drucker. Tatsächlich leitete das Unternehmen seinen ursprünglichen Projektnamen vom Micro AFP Kinematic Extrusion System (Make) ab.

Der Drucker, den das Unternehmen Fiber nennt, ist als modulares Werkzeugwechselsystem für den Einsatz in einer Büro- oder Produktionsumgebung konzipiert und kann industrietaugliche Fertigungsvorrichtungen, Backen, Werkzeuge und Vorrichtungen sowie Endanwendungen liefern Teile. Der Bediener kann einen Micro-AFP-Kopf verwenden, um Material auszulegen, es dann zu parken und bei Bedarf zu einem Fused Filament Fabrication (FFF)-Kopf zu wechseln.

„Zum ersten Mal kombinieren Faserdrucker die Materialeigenschaften von Hochleistungs-AFP-Endlosfasermaterialien mit der Erschwinglichkeit und Geschwindigkeit eines Desktop-3D-Druckers“, sagt Fulop.

Die Technologie verwendet dieselben UD-Bänder, die für Hochleistungsanwendungen geeignet sind. Während der Drucker UD-Tapes mit unterschiedlichsten Faser- und Thermoplast-Matrix-Systemen verarbeiten kann, stehen als Materialien zunächst Polyamid 6 (PA6) mit Kohle- und Glasfaserverstärkungen sowie Polyetheretherketon (PEEK) und Polyetherketonketon (PEKK) mit Kohlefaserverstärkung. Die Bänder, die in einem Format von 3 Millimetern angeboten werden, enthalten in der Regel 12K-Tow-Fasern und werden auf proprietäre Spulen gespult. Ein einzelnes, 3 Millimeter breites Kabel wird durch den Kopf geführt, bis es in den Nip-Bereich gelangt, wo eine berührungslose Heizung die Temperatur des Thermoplasts über seine Schmelztemperatur bringt und eine Verdichtungswalze Druck ausübt, um das ankommende Material zu verfestigen Klebeband auf den Untergrund darunter. Ein Schneider im Kopf schneidet das Band am Ende jedes Durchgangs. Laut Fetfatsidis bieten die Bänder eine Lösung, die eine höhere Qualität aufweist, aber pro Liter mehr als 10 Mal günstiger ist als eine Spule mit 1K-Tow-Filament, die in einigen extrusionsbasierten 3D-Druckern verwendet wird, die Endlosfasern verwenden. Plus die höhere Qualität der Bänder in Verbindung mit der Möglichkeit, Druck hinzuzufügen zum Teil durch den AFP-Prozess führt zu einer höheren Festigkeit.

„Wir haben sehr hochwertige Bänder, die in AFP/ATL-Prozessen verwendet werden, die eine sehr hohe Faservolumenbeladung aufweisen – 60 % Kohlefaser – und wir kombinieren diese mit PEEK- oder PEKK-Hochtemperaturmatrix“, sagt Fetfatsidis.

Kamerahalterung. Das Fiber-System ermöglicht es, Teile wie diese Kamerahalterung steifer und leichter zu machen, als wenn sie mit anderen Materialien bedruckt würden. Kurze Druckzeiten und niedrige Materialkosten ermöglichen es dem Designer, das Design schnell zu wiederholen, um ein optimales Teil zu erzielen. Quelle | Desktop-Metall

Mit dem Fiber-System hergestellte Teile sollen fester als Stahl, leichter als Aluminium sein und auf dem Desktop gedruckt werden können. Fiber hat ein Bauvolumen von 320 x 240 x 270 Millimeter (12,6 x 9,4 x 10,6 Zoll). Zu den Vorteilen gehören eine durchgehende Faserverstärkung im gesamten Teil und eine sehr geringe Porosität. Laut Fetfatsidis können mit PA6-Bändern hergestellte Teile eine Porosität von weniger als 5 % aufweisen und PEEK/PEKK-Bänder können Teile mit einer Porosität von weniger als 1 % ergeben. Der Fahrer hat die Möglichkeit, Schleppen zu lenken um komplexe Formen oder besondere Belastungszustände zu erreichen. Und da es sich bei den Harzen um Thermoplaste handelt, entfällt die Notwendigkeit einer Autoklav-Aushärtung sowie der Lagerung des Materials in einem Gefrierschrank.

„Dies ist das erste Produkt im Bereich des 3D-Drucks, das Endloscarbonfasern mit PEEK und PEKK in einem Desktop kombiniert“, sagt Fulop.

Ladehalterung für die Verkleidung. Schutzblech-Lasthalter werden verwendet, um Metallspritzguss-Komponenten (MIM) zu positionieren, sodass ein Roboter-Endeffektor ein Teil aufnehmen kann, bevor kritische Abmessungen bearbeitet werden. Diese Halterung unterliegt einem erheblichen Verschleiß, da sie ständig in die Halterung ein- und ausgefahren wird. Der 3D-Druck des Mantellasthalters auf dem Fiber-System ermöglicht es den Maschinenbauingenieuren, die Vorlaufzeit für die Herstellung der Vorrichtung von Wochen auf Stunden zu verkürzen – und gleichzeitig die Herstellungskosten um 95 % zu senken. Quelle | Desktop-Metall

Für alle zugänglich

Während die Lösung von Desktop Metal mehrere Vorteile bietet, darunter die Möglichkeit, Endverbrauchsteile herzustellen und Thermoplaste zu verwenden, ist wohl einer der aufregendsten Aspekte des Fasersystems seine Erschwinglichkeit. Die meisten Systeme, die thermoplastische Endlosfaserbänder für die automatisierte Herstellung von Verbundteilen verwenden, sind Millionen-Dollar-Systeme. Das Fiber-System von Desktop Metal ist in zwei Modellen über einen Abonnementdienst erhältlich. Fiber HT wurde entwickelt, um Teile mit kontinuierlichen Verbundwerkstoffen mit <1% Porosität und bis zu 60% kontinuierlicher Faserbeladung mit fortschrittlicher Matrix, einschließlich PEEK und PEKK, herzustellen. Es kann flammhemmende Teile gemäß UL 94-V0 herstellen, die neben ESD-konformen Teilen auch hohen Temperaturen von bis zu 250°C standhalten. Das Fiber HT-Modell beginnt bei einem Einführungspreis von 5.495 USD pro Jahr. Inzwischen beginnt Fiber LT bei 3.495 US-Dollar pro Jahr und bietet eine kostengünstige Möglichkeit, hochfeste, ESD-konforme, nicht beschädigende Teile aus Endlosfasern mit <5% Porosität mit PA6-Thermoplasten herzustellen.

ESD-Endeffektor. Endeffektoren werden während des Herstellungsprozesses von Leiterplatten (PCB) verwendet. Dieses Teil wurde mit dem elektrostatisch entladungssicheren (ESD) kohlenstofffaserverstärkten PA6 des Fasersystems hergestellt, um die Leiterplatten während des gesamten Montageprozesses vor schädlicher elektrostatischer Entladung zu schützen. Als Endlos-Kohlefaserverbundstoff gedruckt, sind die Endeffektoren extrem steif, leicht und halten den Belastungen des PCB-Bestückungsprozesses stand. Quelle | Desktop-Metall

„Wir möchten, dass die Leute das System kaufen, es auf ihrem Schreibtisch zu Hause oder im Büro haben und PEEK-Teile mit Endlosfasern herstellen können“, sagt Fetfatsidis.

„Für ein paar tausend Dollar können Sie mit der Herstellung von Verbundteilen mit hoher Leistung beginnen, die aus derselben Bandtechnologie bestehen, die jetzt in wirklich hochwertigen AFP-gefertigten Teilen verwendet wird“, fügt Fulop hinzu.

Da die Rolle des 3D-Drucks in der Fertigung weiter wächst, benötigen Designer und Ingenieure Lösungen, die es ermöglichen, eine breite Palette von Materialien zugänglich zu machen. Das Fiber-System ist ein großer Schritt vorwärts, um Hochleistungs-Verbundwerkstoffe für jeden zugänglich zu machen, der das geringe Gewicht, die Festigkeit und die Steifigkeit von Verbundwerkstoffen nutzen möchte. Desktop Metal wird sein Desktop-3D-Drucksystem für Endlosfasern auf der Formnext 2019 vom 19. bis 22. November in Frankfurt, Deutschland, auf der additiven Fertigungsausstellung und Konferenz präsentieren.