(Nie)typowe materiały w druku przestrzennym – kompozyty z włókna węglowego

0

Choć coraz częściej słyszy się o zastosowaniu włókna węglowego w druku 3D, bardzo trudno jest pogodzić produkcję laminatów (nie tylko z włókien węglowych) z wytwarzaniem przyrostowym. W kolejnym artykule o (nie)typowych materiałach w druku 3D postaram się wyjaśnić, dlaczego filament z włóknem węglowym ma niewiele wspólnego z „prawdziwymi” kompozytami z włókna węglowego i przedstawię urządzenia do druku kompozytów z włóknami.

Należy zacząć od tego jak wytwarza się kompozyty z włókna węglowego stosowane np. w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym. A najlepiej od tego, jak wytwarza się same włókna węglowe. Ich prekursorem są polimery, najczęściej poliakrylonitryl.

Z prekursora formuje się włókna, wymuszając równoległe ułożenie cząsteczek polimeru. Następnie włókna ogrzewa się w kilkuetapowym procesie, co powoduje usunięcie ze struktury atomów innych od węgla. Z uzyskanych włókien węglowych tworzy się tkaniny, które układa się warstwami w formie, łącząc wszystko żywicą. Potem należy odczekać do zastygnięcia żywicy (zwykle element wygrzewa się w autoklawie) i po końcowej obróbce (szlifowanie krawędzi, wiercenie otworów itp.) część jest gotowa.

Alternatywną metodą jest wytłaczanie elementów z mieszanki pociętych, kilkucentymetrowych włókien węglowych (chopped carbon fiber) i żywicy (Carbon Fiber Sheet Molding Compound). Ponieważ taki materiał łatwiej dopasowuje się do formy, jego wykorzystanie pozwala uprościć cały proces i oszczędzić sporo czasu. Na tym procesie opiera się m.in. technologia Forged Composites, opracowana wspólnie przez Lambroghini i Callaway Golf Company i zastosowana początkowo do produkcji wielu elementów superlekkiej wyścigówki Sesto Elemento (szósty pierwiastek, czyli węgiel). Elementy z pociętego włókna węglowego wyglądają inaczej niż te z tkaniny i charakteryzują się mniejszą wytrzymałością.

No dobrze, ale jak to się ma do druku 3D? Standardowe drukarki pracujące w technologii FDM, czy też SLA/DLP nie są oczywiście w stanie odtworzyć struktury laminatów z tkanych arkuszy, ani nawet elementów ze zlepionych nitek włókna węglowego. Filamenty z włóknem węglowym, jak zwykle podkreślają sami producenci, pozwalają wytworzyć elementy z plastiku wzmocnionego poprzez dodatek proszku z włókien węglowych, a nie elementy z kompozytów węglowych w tradycyjnym rozumieniu. Większość popularnych tworzyw (PLA, PETG, nylon, ABS, poliwęglan czy PEEK) dostępnych jest w wersji wzmocnionej włóknem węglowym, którego zawartość zwykle wynosi od kilkunastu do 30 procent. Im wyższa jego zawartość tym trudniejsze drukowanie, ale nawet filamenty z kilkunastoprocentową domieszką włókien zapychają głowicę i powodują jej szybkie zużycie. Materiały tego typu dostępne są nie tylko w formie filamentu, ale też granulatu, który wykorzystywany jest przez niektóre drukarki wielkogabarytowe, np. BAAM.

Elementy wydrukowane ze wzmocnionych filamentów charakteryzują się wyższą wytrzymałością od części z czystego plastiku, ale daleko im do standardowych kompozytów. Wynika to z niższej zawartości włókien węglowych oraz ich bardzo małej długości. Poza tym do produkcji tradycyjnych kompozytów wykorzystuje się polimery termoutwardzalne, więc są one zwykle odporne na bardzo wysokie temperatury, czego nie można powiedzieć o FDM-owych wydrukach (choć polimery termoplastyczne także mają swoje zalety, m.in. umożliwiają łatwiejszą naprawę elementów oraz recykling).

Alternatywą dla druku wzmocnionym plastikiem metodą FDM może być drukowanie zawiesiną pociętych włókien techniką DIW. W ubiegłym roku naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) opisali drukarkę, która pozwalała drukować elementy z kompozytu krótkich włókien węglowych i żywicy (duroplastu). Przewagą tej techniki jest uporządkowane (równoległe) ułożenie włókien wyciskanych z dyszy, co ma zapewniać znacznie większą wytrzymałość niż w przypadku elementów z przypadkowym ułożeniem (jak to zwykle ma miejsce w przypadku druku FDM).

Do tej pory nikomu nie udało się opracować metody druku z dodatkiem włókien węglowych (lub innych) opartej na technice SLA lub DLP. Wynika to m.in. z agregacji oraz osadzania się włókien, których gęstość jest wyższa od gęstości żywicy. Praca z zawiesiną mikroskopijnych włókien węglowych mogłaby być także bardziej szkodliwa od druku wzmocnionym włóknami filamentem. Generalnie pracując z tego typu materiałami należy pamiętać, że kontakt z pyłem włókien węglowych (i innych) może powodować podrażnienia układu oddechowego, skóry i oczu. Ponadto, choć średnica włókien węglowych przekracza 5 µm i są one za duże by ulegać akumulacji w płucach, włókna poddane obróbce mechanicznej lub termicznej rozpadają się na mniejsze i ich wdychanie może mieć podobne konsekwencje do wdychania włókien azbestu.

Oczywiście możliwości technik przyrostowych nie kończą się na tworzywach wzmocnionych krótkimi kawałkami włókien. Od początku bieżącej dekady kilka firm rozwija technologię druku 3D tworzyw wzmacnianych ciągłymi włóknami, a więc takich które strukturą i właściwościami są bardziej zbliżone do kompozytów z tkanym włóknem węglowym.

Producentem najczęściej utożsamiany z technologią druku 3D kompozytów z włókna węglowego z zastosowaniem ciągłych włókien jest Markforged. Znany jest również z zakończonego niedawno procesu z Desktop Metal, dotyczącego wykorzystania patentów DM związanych z drukiem 3D metalu. Wracając do tematu – w 2014 roku Markforged zaprezentował rewolucyjną wówczas drukarkę Mark One, pozwalającą na druk elementów z PLA czy nylonu wzmocnionych ciągłymi włóknami węglowymi albo szklanymi. Pokazane wtedy urządzenie wyposażono w dwa ekstrudery, na przemian nakładające warstwy termoplastu i włókien (technologię nazwano CFF, czyli Continuous Filament Fabrication).

Drukarkę wyposażono również w stół roboczy z mocowaniem o specjalnej konstrukcji, które wg producenta ograniczało różnicę wysokości po ponownym zamocowaniu do 10 mikrometrów i eliminowało konieczność poziomowania. Proponowana wówczas cena Mark One (5000 $) była dość przystępna, biorąc pod uwagę poziom skomplikowania konstrukcji.

ZOBACZ: Markforged Mark Two – PLM Group EU

Obecnie w ofercie producenta znajdują się drukarki desktopowe Onyx One (tylko z głowicą do termoplastów), Pro (z dodatkową głowicą do włókna szklanego) oraz Two (z głowicą do różnych włókien) oraz seria drukarek przemysłowych: X3, X5 i X7 (możliwości kolejnych modeli są analogiczne jak w przypadku drukarek desktopowych). Producent oferuje własny filament z nylonu wzmocnionego włóknem węglowym (Onyx), oferuje też różne włókna do drukarek Onyx Two i X7 (włókno węglowe i szklane, włókno szklane odporne na wysoką temperaturę i Kevlar).

Kolejnym graczem na arenie druku 3D z kompozytów z ciągłych (?) włókien jest Arevo Labs. System Arevo wykorzystuje robota przemysłowego z umieszczoną na końcu ramienia głowicą oraz obrotowy stół. Firma nie udostępnia zbyt wielu szczegółów na temat swojej konstrukcji, wiadomo, że głowica podaje włókna powleczone termoplastem a do ogrzewania wykorzystywany jest laser (metoda Direct Energy Deposition). Przed kilkoma laty Arevo prezentowało swoje prace nad techniką druku z filamentu wzmacnianego włóknem węglowym, charakteryzującą się równoległym ułożeniem fragmentów włókien po wydruku (podobnie jak we wspomnianej wcześniej drukarce z LLNL). Można przypuszczać, że drukarka, za pomocą której Arevo wydrukowało niedawno kompozytową ramę rowerową, jest rozwinięciem tamtych rozwiązań.

Bardzo ciekawą technologią dysponuje Continuous Composites (CC). Opatentowana przez firmę technologia CF3D (Continuous Fiber 3D Printing) również wykorzystuje robotyczne ramię z umieszczoną na końcu głowicą, ale wyróżnia ich zastosowanie żywicy utwardzanej światłem UV zamiast termoplastów. Co więcej, ich prototypowe urządzenie pozwala drukować żywicą z osadzonymi wewnątrz włóknami różnego typu – nie tylko włóknem węglowym, szklanym i Kevlarem, ale także światłowodami i przewodami z miedzi lub oporowego stopu zwanego chromonikieliną. CF3D pozwala na bardzo efektowne drukowanie „w powietrzu”, a tym samym także na układanie włókien w dowolnym kierunku (również w pionie). CC współpracuje z Autodeskiem oraz Comau (należącym do koncernu FCA producentem robotów i systemów automatyki przemysłowej). Jednym z planów firmy jest skonstruowanie do 2019 roku urządzenia o wielkości pozwalającej drukować samochody i małe samoloty.

Praktycznie identyczną metodę rozwija włoski start-up moi, oferujący wydruki na zamówienie. Wywodzi się on z projektu Atropos, opracowanego przez +LAB, czyli laboratorium druku 3D działające w strukturach Politecnico di Milano. Włosi także korzystają z robota przemysłowego, ich metoda Liquid Desposition Modeling (LDM) tak samo jak CF3D polega na drukowaniu płynną żywicą utwardzaną światłem natychmiast po wypłynięciu z głowicy i również umożliwia druk osadzonymi w żywicy włóknami. Co więcej, moi też współpracuje z Autodeskiem i Comau. +LAB zostało założone w 2013 roku i prace nad metodą rozpoczęto zapewne później, podczas gdy pierwszy wniosek patentowy związany z metodą CF3D złożono już w 2012 roku (w USA). Interesujące.

Jeszcze inny pomysł na drukowanie przestrzenne materiałów kompozytowych ma Impossible Objects. W przeciwieństwie do pozostałych, ich technologia CBAM (composite-based additive manufacturing technology) wykorzystuje arkusze tkaniny z włókna węglowego. Metoda opisana jest wyjątkowo klarownie na stronie producenta. Najpierw drukarka (nie 3D) drukuje klejem odpowiedni kształt na arkuszu, po czym tkanina pokrywana jest proszkiem z termoplastycznego polimeru i usuwany jest nadmiar proszku z miejsc, które nie były poklejone. Tak przygotowane arkusze układane są w warstwy i prasowane, co powoduje zespojenie tkaniny z włókna węglowego w miejscach pokrytych polimerem. Na koniec niezwiązane fragmenty tkaniny usuwane są mechanicznie albo chemicznie.

Pierwszy model producenta, the Model One, może drukować z kombinacji włókna węglowego lub szklanego z PEEK lub nylonem 12. W przyszłym roku dołączyć mają kompozyty z elastomerami. Na swojej stronie Impossible Objects twierdzi, że technologia CBAM jest jedyną, która pozwala na druk z tkanin i termoplastów:

„Our proprietary CBAM technology is the only AM process that combines long-fiber fabrics (versus short or chopped fiber) of carbon or glass with high-performance thermoplastic matrix materials to make composite parts. Long-fiber (fibers measuring at least 12mm in length), can offer significantly improved performance in strength, toughness and durability, in addition to other properties like dimensional stability and heat and chemical resistance”

Można z tym spekulować. Druk ciągłymi włóknami umożliwiają też urządzenia Markforged, choć nie pozwalają na tworzenie kompozytów z tkanin, to fakt. Jednak na konferencji RAPID 2016 w Orlando EnvisionTEC pokazał SLCOM – przemysłowe urządzenie zdolne drukować kompozyty z tkanin i termoplastów (wykorzystujące preimpregnowane tkaniny). Metoda produkcji elementów przez drukarki korzystające z tkanin nie różni się zanadto od klasycznych metod wytwarzania kompozytów z włókna węglowego, tyle że jest znacznie bardziej zautomatyzowana (obecnie w fabrykach wykorzystywane są lub badane różne podobnie działające systemy, ale nikt nie określa ich mianem drukarek 3D). Tego typu urządzenia mają dość ograniczone możliwości – nie nadają się do produkcji zagiętych powierzchni i elementów pustych w środku. Większe szanse na powodzenie mają raczej zautomatyzowane systemy do układania pasm włókna węglowego lub kawałków tkaniny na/w formach.

Niewątpliwie druk 3D materiałami kompozytowymi z włóknem węglowym zyskuje na popularności i w najbliższych latach będzie zyskiwał jeszcze bardziej, co związane jest z upowszechnieniem włókna węglowego, również w przedmiotach codziennego użytku. Wygra ten, kto opracuje technologię, która będzie szybsza, wydajniejsza, a przede wszystkim tańsza od tradycyjnych metod produkcji kompozytów.

Źródła:www.compositesworld.com,www.3ders.org,www.continuouscomposites.com, www.3dprintingmedia.network

Obrazy: [0] [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Udostępnij.

O autorze

Wojtek Lipiński

Chemik (organik) z zawodu i z zamiłowania, student Politechniki Łódzkiej. Entuzjasta klasycznej motoryzacji, nauki i techniki.