Модульные решения точной печати для автопрома и авиации

APS Tech Solutions — дивизион Automatisierte Produktions Systeme GmbH в Хёхст, Австрия. Основанная в 1987 году, компания предоставляет инженерные, механические и роботизированные решения для 3D водорезки и инструментальных машин, используемых в автопроме, авиации и механических рынках.

«Три года назад мы хотели иметь очень универсальный 3D-принтер, но не могли найти ничего, что соответствовало бы нашим требованиям», — говорит Николай Вампл, бизнес-развитие для APS Tech Solutions. «Так что мы создали свою собственную систему, Wizard 480+, которую мы запустили в прошлом году. Она может печатать с непрерывным волокном, стандартными термопластиковыми филаментами, металлом или керамикой».

Wizard 480+ имеет объем печати 400 мм в длину x 230 мм в ширину x 370 мм в высоту и печатающую платформу, которую можно нагреть до 200 °C. Насосы для печати непрерывным волокном могут быть нагреты до 500 °C.

Действительно ли нам нужен еще один настольный принтер для промышленных композитов? «Наша цель не была настольным принтером для промышленного использования, а более настоящей промышленной машиной», — говорит Вампл. «Мы хотели универсальный принтер без ограничений, но с настройкой, которая не перегружает. Например, вы можете модифицировать дешевый настольный принтер, чтобы быть более универсальным, но это требует много ноу-хау и времени. На другом конце — промышленный принтер, где можно печатать крупносерийные детали в горсти материалов, но если вы хотите напечатать что-то новое, это становится трудным. Мы хотели печатать детали, используя каждый материал, который на рынке, но в высоком качестве». Например, запасная часть для штамповочного инструмента, обсуждаемая ниже, требовала точности 0,02 мм.

«3D водорезка и инструментальные машины, с которыми мы работаем, должны быть точно построены для правильной работы», — объясняет Вампл. «Мы вложили это знание в Wizard 480+ для повышения точности напечатанных деталей. Другое отличие — у нас есть система смены инструментов как на ЧПУ машине, которая позволяет нам использовать множество видов материалов в одной печати. Например, если клиент хочет использовать два разных вида непрерывных волокон в одной печати, это возможно, потому что печатающие головки обмениваемы. Печати могут использовать высокопроизводительные пластики как PEEK [полиэтерэтеркетон] и PEKK [полиэтеркетонкетон], а также полиамид [PA] и коммерчески доступные FDM [плавление с наплавлением] филаменты. Не каждой детали нужно непрерывное волокно. У нас также есть печатающая головка для простых керамических и металлических зеленых деталей с использованием стали или титана, например. Обратите внимание, что керамические и металлические детали должны быть спеканы вторым шагом и не будут включать пластики из-за этой высокотемпературной пост-обработки».

Открытая система

«Большинство компаний имеют две отдельные машины для металлов против неметаллов», — отмечает Вампл. «Но для новых разработок вы не хотите покупать новый принтер каждый раз, когда пробуете новый материал. Мы не хотели систему, которая закрыта и ограничена, а вместо этого модульную, гибкую систему, с которой вы можете улучшать или менять напечатанные детали». Например, клиент может захотеть печатать с непрерывным волокном и термопластиковым полиуретаном (TPU). «Это трудный материал, потому что его вязкость падает так быстро, что трудно поддерживать последовательность во время печати. Но мы хотели принтер, который мог бы приспособиться к этому».

Wizard 480+ спроектирован для печати с любым непрерывным филаментом, включая стекловолокно или медную проволоку. «Наш стандартный непрерывный волокнистый филамент — 1K углеродное волокно/PA, но мы также использовали PEEK и PLA [полилактид] и можем идти до 3K углеродного волокна», — говорит Вампл. APS Tech Solutions хочет поставлять непрерывные филаменты на рынок, но их принтер не ограничен этими.

Wizard 480+ также открыт в своем ПО. «Мы всегда нуждались в каком-то специальном инжиниринге», — говорит Вампл, «и поэтому мы хотели иметь максимальное количество контроля. С многими принтерами вы немного ограничены программным обеспечением. Но с нашим ПО вы можете размещать волокна именно там, где хотите, и вы не ограничены никаким алгоритмом. Хотя вы можете использовать алгоритм для генерации того, где волокна должны быть, мы хотели, чтобы инженеры контролировали, как размещать волокна, потому что они знают, как деталь будет использоваться и какие силы оказываются где».

Тем не менее, система относительно проста в использовании, говорит Вампл. «Например, чтобы напечатать с двумя разными материалами вы создаете две разные детали в CAD. Затем выбираете, какая деталь печатается в каком материале с использованием Simplify3D [Синциннати, штат Огайо, США], программного обеспечения для нарезки, используемого для многих промышленных 3D-принтеров. Затем у нас есть пост-процессор, который создает G-код для печати. Simplify3D позволяет настройку всех параметров печати, как высота слоя заполнения и плотность. Для пост-процесса вы просто перетаскиваете файл, и он будет адаптирован к нашей машине, потому что у нас есть некоторые функции — как смена инструмента и использование непрерывных волокнистых филаментов — которые не очень распространены».

«У нас действительно только одно ограничение», — говорит Вампл, «которое — длина напечатанного филамента. У нас есть минимальная длина 20 мм. Если инженер делает определенную напечатанную длину короче 20 мм, то мы сталкиваемся с осложнениями, и пост-процессор говорит вам, что это невозможно».

Ожидаемое качество, доставленное

Первым клиентом Wizard 480+ был производитель высокопроизводительных штамповочных инструментов Stepper Fritz GmbH & Co. KG. (Пфорцхайм, Германия). «Им нужна была запасная часть для одного из их инструментов и они спросили, можем ли мы ее напечатать», — говорит Вампл. «Они боролись, чтобы найти 3D-принтер для работы из-за сложной геометрии и комбинации материалов, необходимых, включая непрерывное углеродное волокно, термопластиковую матрицу и водорастворимые опоры». Предыдущая версия этой детали была сделана с ЧПУ фрезеровкой алюминия. «Мы напечатали деталь без каких-либо изменений формы и также интегрировали резьбы для вставок», — отмечает Вампл. «Мы использовали готовый рубленый углеродно-наполненный PA филамент для внешней оболочки и наш непрерывный углеродное волокно/PA филамент для внутренней части».

Stepper оценил деталь, определил, что она соответствует требуемой точности, а затем заказал нашу первую машину, говорит Вампл. «Они запускают ее с июля 2020 года без каких-либо проблем и говорят нам, что она все еще производит детали с этой точностью».

Высокое качество также является особенностью напечатанных как есть волокнисто-усиленных композитов, как показано на микрографии на открывающем изображении, сверху. Состоящая из пяти слоев 1K непрерывного углеродно-волокнистого усиленного PEEK филамента APS Tech Solutions, деталь была срезата и микрографирована сразу после печати, без дальнейшей консолидации или пост-обработки. Материал также тестировался в FH Vorarlberg (Университет прикладных наук в Ворарльберге, Германия) и микрографировался в Университете Байройта (Байройт, Германия). Результаты показывают прочность на разрыв 1060 мегапаскалей и прочность на изгиб 750 мегапаскалей. «Однако это было очень предварительное тестирование и мы сейчас готовим более стандартизированное тестирование, во время которого наши техники верят, что мы достигнем еще более высоких свойств», — говорит Вампл.

«Наши продажи, на данный момент, в основном к университетам и компаниям вроде Stepper, которые не удовлетворены тем, что на рынке», — говорит Вампл. «Есть непрерывноволокнистые 3D-принтеры с хорошей технологией, но большинство ограничены в материалах или ПО. Наша цель — служить клиентам, которым нужно наивысшее качество деталей, а также гибкость, такие как механические и специализированные инженеринговые компании, а также те, кто работает в материалонауке и разработке».

Компания продолжает работать над своими собственными новыми разработками, такими как адаптация своей системы для шестиосевого роботизированного манипулятора и материалов для космических применений. «Мы верим, что 3D-печатанные композиты имеют гораздо более широкое применение, чем было видно до сих пор, но мы расширяем эти горизонты и позволяем новые возможности для промышленных деталей».