Снижение затрат в 3D-печати с непрерывным волокном: инновации и стратегии

Институт композитных структур и адаптивных систем DLR (Брауншвейг, Германия) — ведущий научный центр в легком строительстве, развивающий технологии в четырех стратегических направлениях: проектирование до сертификации, цифровизация и Индустрия 4.0, переработка и аддитивные композитные структуры. Ранее в этом году CW сообщал об EmpowerAX Innovation Lab DLR для ускорения переноса аддитивной экструзии в промышленность для 3D-печати композитов. Институт также завершает ряд НИОКР, включая моделирование аддитивной экструзии, модификацию термопластов для улучшения свойств при 3D-печати и производство нитей с непрерывным волокном.

Последний проект, названный ENDLOSEFFEKT («бесконечный эффект»), направлен на улучшение технологичности, качества и стоимости материалов с бесконечно длинным волокном. «Наличие предпропитанных нитей для 3D-печати с непрерывным волокном ограничено», — объясняет Майк Титце, отвечающий за аддитивное производство в DLR. «Ограниченный ассортимент и цены материалов создают барьер для применения. Мы хотели спроектировать пропитывающую сопловую головку, чтобы то же оборудование, что производит стандартные нити с рубленым волокном для FDM, могло производить нити с непрерывным волокном. Это оборудование для компаний-производителей нитей, цель — снизить стоимость 3D-печати с непрерывным волокном».

Сейчас большинство нитей с непрерывным волокном делают те же компании, что продают принтеры для непрерывного волокна, каждый материал оптимизирован под одну систему. Эти материалы довольно дороги.

«Наша идея — начать с любого сухого волокна, например 1K углеродного тока до 50K, и использовать прямую расплавленную пропитку из термопластических гранул через экструзию, так как это очень эффективно по затратам», — говорит Титце. «Не нужно производить полимерный порошок или фольгу, ни использовать дорогие прессы или сотни роликов для пропитки волокна. Процесс становится гораздо более доступным и дешевым».

Вместо прессов, лент и роликов DLR разработал систему с ультразвуком. «Мы используем сонотрод на 19,5 кГц, направляющий вибрацию в расплавленный термопластик, окружающий волокно», — объясняет Титце. «Это матрицу и армирование в 19 500 раз в секунду, что дает отличную пропитку».

Процесс начинается с раздвигания и нагрева волокна (рис. 1). Армирование подается в герметичную камеру, куда впрыскивается расплавленный полимер. Пока волокно проходит через камеру, расплавленная смола покрывает его. «Волокно и полимер затем проходят в ультразвуковую камеру длиной всего 80 мм — очень компактную», — отмечает Титце. «Вибрации сонотрода обрабатывают нить с волокном, которая затем выходит из сопла в нужной форме: круглой или плоской».

Микрографий на рис. 2 показывают 12K углеродное волокно, пропитанное полилактидом (PLA), полиамидом (PA) и полиэтеримидом (PEI) при 50% объемном содержании волокна. Объемное содержание регулируется (30–50%) конструкцией сопла, говорит Титце. «Мы считаем, до 60% возможно. Нужна еще работа над процессом, но мы показали работоспособность с хорошими начальными результатами и скоростью линии 5 мм/с». Он признает, что это медленно и неэкономично, но новая конструкция оборудования должна была быть протестирована в июне с целью достижения 3 м/мин.

«Типичные скорости ближе к 10 м/мин», — говорит Титце. «Однако технология также предназначена для гибкого производства новых комбинаций материалов, поэтому немного более низкая скорость может сделать малые партии доступными».

Разработанный DLR процесс не селективен к одному материалу — можно использовать любое волокно или полимер, говорит Титце. «Это важно, так как процессы гибридизируются и нужны новые материалы. Материалы для 3D-печати должны стать более конкурентоспособными, иначе у непрерывной 3D-печати не будет великого будущего. Используя термопластические гранулы, мы значительно снижаем затраты, а оборудование помещается в малое пространство, так что даже малые компании могут его внедрить».

DLR начал проект в октябре 2019 г. и завершит в январе 2022 г. «Наша цель — еще больше миниатюризировать технологию и интегрировать в печатающую головку», — говорит Титце. «Так это будет прямая пропитка в линии с печатью. Оба подхода будут перенесены в промышленность». Он объясняет, что как государственная некоммерческая организация DLR не будет «продавать» ничего и поэтому исключительных прав. «Наша цель — вовлечь поставщиков печатающих головок, чтобы снизить цены материалов во всей отрасли и расширить промышленное применение аддитивного производства с непрерывным волокном».