LDM – nowa technologia druku 3D, wykorzystująca żywice zawierające włókno węglowe, szklane lub bawełny

Chociaż za początek technologii druku 3D przyjmuje się rok 1984, znakomita większość odmian i gałęzi drukowania przestrzennego powstała na przełomie lat 80-tych i 90-tych. Przez blisko dwadzieścia lat, procesy te były rozwijane i udoskonalane, jednakże druk 3D wciąż opierał się w dużej mierze na tych samych pomysłach i rozwiązaniach. Dopiero po roku 2010 mogliśmy zaobserwować napływ nowych technologii, jak chociażby 3SP opracowane przez EnvisionTEC, MOVINGLIght stworzone przez Prodways, słynne CLIP z Carbon3D oraz MJF autorstwa HP.

Kolejną technologią, która właśnie ujrzała światło dzienne jest LDM (Liquid Desposition Modeling), czyli osadzanie płynnego materiału kompozytowego utwardzanego laserem. Jej twórcami są badacze z +LAB – laboratorium działającego na Wydziale Chemii, Materiałów i Inżynierii Chemicznej Politechniki Mediolańskiej, które zostało założone w 2013 r. przez profesor Marinellę Levi.

Ich projekt nazwany „3D printing composites XYZ” polegał na opracowaniu materiałów o wysokiej wydajności w połączeniu z inteligentnymi systemami produkcji. Wykorzystano w nim anizotropię charakterystyczną dla technologii przyrostowych i różnych materiałów kompozytowych. Można zastosować ją do tworzenia lekkich produktów o dużej odporności mechanicznej. Badania opierały się głównie na termoutwardzalnych materiałach kompozytowych wypełnionych zarówno krótkimi, jak ciągłymi włóknami.

Materiały kompozytowe wzmacniane krótkim włóknem bazują przede wszystkim na osadzaniu płynnego materiału (metoda LDM – Liquid Deposition Modeling). Wymaga to użycia specjalnego narzędzia (jak np. extruder strzykawkowy) oraz aparatu do polimeryzacji, pozwalającego na termoutwardzenie żywicy. Dzięki temu zmienia ona swój stan skupienia z ciekłego na stały, gdy tylko materiał wydostanie się z głowicy.

Rozwiązanie LDM pozwoliło na stworzenie materiałów bazujących na żywicach akrylowych, epoksydowych lub poliestrowych wypełnionych substancjami nieorganicznymi jak: węgiel, aramid, szkło, bazalt, jak również składnikami naturalnymi jak bambus, bawełna czy len. Kiedy porównamy ich zawartość włókien z materiałem wyjściowym, zauważmy że wartości te różną się nawet o 60%. Zależy to w dużej mierze od długości włókna oraz jego ułożenia podczas ekstruzji.

Reorganizacja cząsteczek w czasie druku 3D pozwala na stworzenie struktury o ulepszonych właściwościach mechanicznych oraz na powstawanie wolnych form. Nie wymagają one generowania podpór, ze względu na natychmiastową zmianę materiału z postaci ciekłej w stałą.

Proces pozyskiwania takich materiałów składa się z trzech faz. Pierwsza polega na wplataniu włókien z węgla, szkła, aramidu itp. w różne filamenty.  Po połączeniu z nimi stają się wartościowymi materiałami hybrydowymi. Kolejny etap to impregnowanie ich termoutwardzalną żywicą (akrylową, poliestrową itp.). Na koniec układa się je w kontrolowany sposób na platformie roboczej. Kiedy zaimpregnowane włókna wychodzą z głowicy, są utwardzane wiązką lasera – całościowo lub częściowo, w zależności od potrzeb.

Ta innowacyjna metoda ekstruzji na otwartej przestrzeni zmienia dotychczasowe wyobrażenia o właściwościach materiałów kompozytowych, których włókna układają się w kierunku gwarantującym najlepszą strukturę podporową.

Możliwe jest używanie slicerów nielinearnych do wytwarzania przedmiotów na tradycyjnych drukarkach 3D o układzie XYZ oraz ich przerobionych wersjach i ramionach robotycznych. Przykładowo, oprogramowanie Silkworm, które generuje pliki GCode bezpośrednio z programów Grasshopper i Rhino, dzięki algorytmom pozwala na ruch głowicy w trzech kierunkach.

Kontrola wszystkich trzech wymiarów, jak również przepływu i prędkości oraz sekwencji druku 3D, umożliwia wytwarzanie szerokiego spektrum niezwykle mocnych materiałów kompozytowych. Zmiany w geometrii modelu takie jak wypełnienie, obwód lub wprowadzenie powierzchni domykających, wpływają zasadniczo na jego właściwości mechaniczne, co daje nam możliwość korzystania z zupełnie nowych i nieznanych tworzyw.

+LAB zaprojektowało wypełnienie, które zmniejsza ciężar detalu, równocześnie gwarantując, że napięcie pomiędzy supportami na górze i dole modelu nie uległo zmianie. Dzięki kontroli parametrów geometrycznych da się również stworzyć obiekty o elastycznej strukturze.

Algorytm ten można zastosować również w produkcji tkanin składających się z włókien ciągłych – ich podwijanie się jest podobne do tego, które zachodzi w procesie tkania. Dzięki kontrolowaniu prędkości głowicy oraz przepływu materiału, możliwe jest uzyskanie właściwości izotopowych, niwelowanie lub całkowita eliminacja rozwarstwiania (co bywa efektem nadmiernego napięcia).

Proces ten okazuje się bardzo przydany, w przypadku gdy sprawdzamy geometrię w oparciu o metodę elementów skończonych (FEM – finite element method). Zaczynamy od wybrania pozycji osi napięcia trójwymiarowej przestrzeni, przykładowo możliwe jest drukowanie kratownic opierających się o krzywe izostratyczne. Część materiału usuwa się dla zmniejszenia masy, nie wpływa to jednak na właściwości mechaniczne i stabilność całego modelu.

Dzięki stworzeniu filamentów o rożnym wypełnieniu włóknem i sposobach jego łączenia, można wyprodukować materiały o zupełnie nowych właściwościach mechanicznych.  Dzięki swojej odporności i wytrzymałości mogą znaleźć zastosowani w różnych gałęziach przemysłu, takich jak astronautyka, motoryzacja, inżynieria cywilna czy architektura.

Źródło: materiały prasowe