Здравствуйте, друзья и коллеги! Кое-кто из вас, наверное, читал пост годичной давности на GeekTimes (не мой, правда), некоторые видели живьем, некоторые слышали мои лекции или выступления, но большинство, скорее всего, даже не подозревает, о чем я хочу сейчас рассказать. Итак, вперед!Все вы конечно знаете, что такое 3D-принтер. Особенно, если речь идет об FDM 3D-принтере. Все мы знаем, на что эти машины способны и прекрасно знаем, на что они не способны. А не способны они печатать функциональные детали, за редким исключением. То есть те детали, которые применяются в конструкциях реальных изделий, а не их макетов, моделей или прототипов. Почему? Ключевая причина - физико-механические характеристики, то есть, в первую очередь, прочность и жесткость материала.
Научный подход
Давайте посмотрим на цифры. Предел прочности алюминиевого сплава (дюраля) Д16Т составляет, примерно, 450 МПа , модуль упругости 70 ГПа . Для PLA пластика соответствующие значения будут, примерно, 30 МПа и 2 ГПа . Разница по прочности в 15 раз, по модулю в 35 раз. Возьмем самый крутой полимер, доступный сейчас на рынке для 3D-печати. Это, конечно, полиэфирэфиркетон (ПЭЭК, PEEK), например, от немецкой Indmatec . Прочность 98 МПа , модуль 4 ГПа . Уже лучше, но разница, все равно, колоссальная.
Модуль упругости - это коэффициент, характеризующий сопротивление материала растяжению или сжатию при упругой деформации.
Прочность - это максимальные напряжения, которые может выдержать материал, а напряжения - это сила, отнесенная к площади, так что можно сделать деталь в 4.5 раза толще, и она будет выдерживать такую же нагрузку, но тогда увеличивается ее масса.
А что с массой? Плотность алюминия 2,7 г/см3, ПЭЭК - 1,3 г/см3, так что одна и та же деталь (в смысле, выдерживающая одни и те же нагрузки) из ПЭЭК будет, примерно, в 2 раза тяжелее алюминиевой. Конечно, благодаря особенностям 3D-печати можно сделать деталь топологически оптимальной и выиграть в весе за счет более сложной формы конструкции, но не в 2,5 раза!
Что же делать?
Тут уже мы имеем прочность 700 МПа, что больше дюраля и сравнимо с титаном. Модуль упругости – 45 ГПа. Что ж, очень неплохо. А что по поводу цены? «Голый» принтер The Mark One стоит от £2990, а The Mark Two стоит от $5500, в то время как за 50 см куб. материала основатель компании Грег Марк просит $150, то есть чуть меньше $3000 за килограмм.Здесь, конечно, справедливости ради, следует отметить, что машина у них действительно отличного качества. Среди минусов можно отметить следующие:«облачный» софт, который сильно ограничивает возможности машины.малая область печати - 300х160 мм.высокая цена.Есть также ещё ряд научных проектов в этой области. Среди которых, в первую очередь, стоит отметить японцев из Токийского университета , коллективы Orbital Composites и Arevo Labs . Еще есть футуристический концептFreespace Composites , но там, к сожалению, не видно никакого прогресса.Такой подход позволяет изготавливать на 3D-принтере реальные силовые конструкционные детали для использования в элементах аэрокосмической, автомобильной техники, для персональной медицины и спорта. Причем все это можно делать у себя дома или в офисе.
Анизопринт
Соединяем мир 3D-печати с миром высокопрочных композитных материалов. Теперь, наконец, о том, что сделали мы - с картинками, по которым все соскучились. Мы долго занимались проектированием и оптимизацией изделий из композитов и независимо от MarkForged пришли к идее ЧПУ коэкструзии волокна с пластиком как новой универсальной автоматизированной технологии изготовления изделий из композитов. И нашли изящное решение основной проблемы.
Так в чем же проблема? Казалось бы, все очень просто. Взял FDM принтер и засунул в струйку расплавленного пластика углеродное (или стеклянное, арамидное, базальтовое) волокно - и все получится. Но на самом деле любое волокно состоит из сотен, а то и тысяч (как в случае углеродного волокна) микронных нитей. Расплав термопласта имеет достаточно высокую вязкость, и в отличие от существенно более текучих реактопластов, не всасывается внутрь волокна за счет капиллярного эффекта и не заполняет пространство между нитями, а лишь обволакивает волокно снаружи, и композита не получается.Для решения этой проблемы можно, как, например, MarkForged, заранее изготавливать пропитанное термопластом композитное волокно на специальной установке термопластичной пултрузии и потом использовать это волокно для печати. Но для этого требуются большие давления, относительно высокие усилия протяжки, которые при таком маленьком диаметре фильеры вызывают повреждение значительного объема нитей, необходимость подбора параметров для каждого нового типа пластика вплоть до полного перепроектирования пултрудера. Мы пошли другим путем – в отличие от MarkForged наш экструдер имеет 2 входа: один для армирующего волокна, другой - для пластика.
Таким образом мы можем использовать разные типы пластиков, а также варьировать объемной долей волокна в материале за счет изменения скорости подачи пластика. А волокно мы изготавливаем отдельно, на собственной установке, пропитывая специальным составом, который обеспечивает, с одной стороны, пропитку волокна, а с другой – его адгезию к пластику в процессе печати. Таким образом, мы получаем трёхкомпонентный, или двухматричный, композит, в котором один полимер склеивает между собой нити внутри волокна, а другой – полученное композитное волокно. Вот примерно так выглядит наша печатная головка, установленная на раму от Prusa i3 Hephestos 2, на выставке в Париже.
Вот некоторые примеры изделий, изготовленных при помощи нашей технологии.
А вот, наконец, физико-механические характеристики: прочность при растяжении 740 МПа , модуль упругости 50 МПа . Как у MarkForged, но нам есть куда расти. Если вы посмотрите теперь на изделия MarkForged
и на наши изделия, то становится сразу видно, что у MarkForged объемная доля волокна в конечном изделии невелика, что может давать существенное преимущество с точки зрения жесткости конструкции (при использовании «сэндвичей»), но по прочности от обычного пластика сильно отличаться не будет. В наших изделиях мы стараемся реализовать все преимущества композитов – гибкое управление ориентацией армирования и объемной долей волокна, а также показать преимущества сетчатых анизогридных конструкций.
— уникальный материал. Выстроенные в тончайшие нити атомы углерода образуют очень прочное, но при этом совершенно невесомое вещество. Его уже много лет используют в машиностроении, космической и авиационной отраслях. Однако производство сложных деталей из углеволокна до сих пор оставалось довольно замысловатым процессом.
(фото Mark Forged).
Теперь последнюю преграду на пути к бюджетному массовому производству лёгких и одновременно прочных деталей, наконец, удалось стереть. Американская компания MarkForged выпустила первый 3D-принтер Mark One, который использует в качестве "чернил" углеродное волокно. Приятный сюрприз: стоимость устройства относительно небольшая — $5000 или около 170 тысяч рублей.
(фото Mark Forged).
Производителям такая покупка покажется крайне выгодной. На автомобильном рынке любые детали из углеволокна пользуются огромной популярностью у покупателей, поскольку являются символом надёжности и прочности. Разработчики из MarkForged уверены, что с появлением в продаже принтера Mark One появятся и новые области применения для углеродного волокна.
Максимальный размер детали, которую способен напечатать Mark One, составляет 305 х 160 х 160 миллиметров. Двойная экструзионная головка принтера может выдавливать всего один вид материала за раз, однако в целом выбор "чернил" довольно велик: помимо углеволокна, принтер работает со стекловолокном, нейлоном и полимолочной кислотой.
(фото Mark Forged).
Повышенная точность воспроизводства компьютерного 3D-эскиза обеспечивается особым креплением платформы для печати, которая не сдвинется при смене картриджа более чем на 10 микрометров.
Президент MarkForged Грегори Марк (Gregory Mark) также является совладельцем компании Aeromotions, а потому знает цену автомобильным деталям из углеволокна. Его компания занимается производством антикрыльев для спортивных автомобилей из этого материала. Теперь выпуск комплектующих для спорткаров, по словам Марка, станет значительно проще.
Представители компании пока не сообщают, когда на рынке появится чудо-принтер, но уверяют, что этот день настанет очень скоро.
Вы получаете купон на скидку до 20% на расходные материалы на весь 2019 год. В акции участвуют материалы компаний REC , FL-33 , Formlabs .
3D принтер Polyjet создан группой химиков под руководством Жозефа Десимоне (Университет Северной Каролины в Чепел-Хилл). Этот представитель являет собой уникальное решение для фотолитографической печати. Благодаря ультрафиолету, который отверждает детали из жидкого полимера , процесс послойного их создания стал в десятки раз быстрее .
Посмотрите на это видео, видели ли Вы ранее такой быстрый процесс создания моделей высотой в десятки сантиметров? Модель Эйфелевой башни вырастает из ванны буквально за считанные минуты.
На объект, печатаемый по SLA или Polyjet технологии за три часа, а SLS методом за 11 часов, принтеру технологии CLIP требуется всего 6 минут. Ускорение от 30 до 100 раз!
Ясно, что производительность такого принтера вырастет фантастически, а себестоимость изделий немедленно упадет. При этом усовершенствование не представляет собой чего-то особо сложного либо дорогостоящего. Суть изобретения в создании на самом дне ванны с полимером, поверх проекционного окна, тончайшего слоя жидкости, ингибированного кислородом и не застывающего под воздействием ультрафиолета. Таким образом, отверждение происходит выше, в слое, не касающемся дна ванны и отделенном от него прослойкой жидкого полимера. Классическая SLA-технология отверждает слой, лежащий на дне ванны, и поэтому его можно поднимать на следующий шаг не раньше, чем он полностью застынет - имеется длительная неустранимая пауза на каждом слое. В технологии CLIP подъем платформы происходит немедленно, как только очередной слой засвечен, что и создает продемонстрированную скорость построения. Кислород же, ингибирующий реакцию в придонном слое, подается путем диффузии прямо сквозь материал, из которого изготовлено дно ванны. Собственно это кислород-проницаемое дно и составляет главное нововведение в конструкцию SLA-принтера.
Качество печати
Исследователи Национальной лаборатории им. Лоуренса Ливермора утверждают, что они являются первыми в мире 3D-печатными аэрокосмическими композитами из углеродного волокна, которые, возможно, прокладывают путь для сложных новых распечаток.
Углеродное волокно — это материал, который прочнее стали и в то же время очень легкий. Из-за этого, он идеально подходит для изготовления деталей для аэрокосмической и автомобильной промышленности. Однако при создании сложных форм из материала с использованием традиционных методов его чрезвычайно сложно контролировать.
Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL), возможно, нашли способ изменить это. Исследователи — это первые в мире 3D-печатные аэрокосмические композиты из углеродного волокна. И считают, что из-за этой работы они смогут контролировать и оптимизировать использование материала с высокой спецификацией.
Это не первый раз, когда углеродное волокно было напечатано в 3D. Есть много производных PLA, которые могут сделать то же самое на обычном домашнем принтере. Однако важно отметить, что разница в том, что LLNL имеют печатные аэрокосмические композиты.
Предыдущие проблемы с использованием композитов из углеродного волокна включали сложные методы, необходимые для создания деталей и сверхкомпенсации материала из-за «проблем с производительностью». Тем не менее, исследователи из LLNL смогли добиться таких же свойств материала, что и на две трети, благодаря новому методу трехмерной печати.
Выход за пределы углеродного волокна, заполненного PLA
Для достижения этой цели LLNL создал собственный принтер для прямой печати чернилами (DIW), используя свои собственные «чернила» из композитного углеродного волокна. Исследователи также запатентовали метод лечения экструдированного материала за считанные секунды, а не за часы.
Они опирались на вычислительную модель, представленную на видео выше, чтобы разработать модели потоков нитей из углеродного волокна в своих чернилах. Юлия Канарска, аналитик, объясняет:
«Мы разработали численный код для моделирования неньютоновской жидкой полимерной смолы с дисперсией углеродных волокон. С помощью этого кода мы можем моделировать эволюцию ориентации волокон в 3D при разных условиях печати. Нам удалось найти оптимальную длину волокна и оптимальную производительность, но это все еще работа. Текущие усилия связаны с достижением еще лучшего выравнивания волокон путем приложения магнитных сил для их стабилизации».
Поскольку материал является проводящим, он позволяет контролировать тепловое каналирование. Использование может быть в производстве спутниковых компонентов, которые — напечатаны в их дизайне — изолированы с одной стороны. То есть они не требуют вращения в пространстве.
Следующей задачей для исследовательской группы является оптимизация процесса. Они продемонстрировали преимущества, достигнутые с помощью этого метода. Но, чтобы понять это дальше, это будет означать определение наилучшего способа укладки углеродного волокна.
Друзья, небольшое вступление!
Перед прочтением новости, позвольте пригласить вас в крупнейшее сообщество владельцев 3D-принтеров. Да, да, оно уже существует, на страницах нашего проекта!
Ограниченная прочность традиционных материалов для 3D-печати привела к разработке MarkForged Mark One - первого в мире трехмерного принтера, предназначенного для печати композитными материалами. Устройство позволяет создавать детали и приспособления с прочностью, превышающей показатели алюминиевого сплава 6061-T6.
Грегори Марк, президент компании MarkForged, впервые представил рабочий прототип трехмерного принтера Mark One на выставке SolidWorks World 2014 в Сан-Диего. Марк является совладельцем компании Aeromotions, занимающейся созданием углеволоконных спойлеров и антикрыльев для гоночных автомобилей. Углеволокно – материал с высокой удельной прочностью. Прочность углеродного волокна в пять раз превышает прочность стали, но весит оно в три раза меньше. Большинство автомобильных деталей производится из стали, но инженеры обожают углеволокно, ибо применение этого материала позволяет значительно снижать массу большинства автомобилей – вплоть до 60% экономии веса.
Тем не менее, лишь немногие автомобили в широкой продаже используют в своей конструкции углеродное волокно. Объясняется это высокой стоимостью материала и необходимостью ручной формовки. Марк обратился за решением проблемы к технологии 3D-печати, но не нашел существующих устройств, способных печатать углеволокном.
В итоге, Марк спроектировал и построил собственный принтер, MarkForged Mark One – первый в мире трехмерный принтер для печати углеродным волокном. Заодно, MarkForged Mark One позволяет использовать в качестве расходного материала стекловолокно, нейлон или даже полилактид (PLA), но без возможности одновременной печати разными материалами. Устройство оснащено монолитным алюминиевым корпусом и прозрачной рабочей платформой. Кинематическое соединение упрощает выравнивание платформы – платформа встает на место с точностью до 10мкм. Сам принтер отличается элегантным дизайном и компактными габаритами (574x361x323мм), позволяющими настольную установку.
Особенности и характеристики устройства:
- Технология печати: метод послойного наплавления (FFF) / послойное наплавление композитных материалов (CFF)
- Размер рабочей зоны: 305x160x160мм
- Совместимые расходные материалы: углеродное волокно, стекловолокно, нейлон, полилактид (PLA)
- Минимальная толщина слоя: 100мкм (FFF) / 200мкм (CFF)
- Экструдер: двойной, быстросменяемый
- Диаметр наполнителей: FFF: 1,75мм, CFF: MF4
- Возможна приостановка/продолжение печати
- Корпус из литого анодированного алюминия
- Рабочая платформа с кинетическим соединением
- Программное обеспечение с «облачной» совместимостью
- Поддерживаемые операционные системы: Mac OS 10.7 Lion +, Win XP+, Linux
- Поддерживаемые браузеры: Chrome 30+, Firefox 10+, Safari 6+
- Поддерживаемые форматы файлов: STL, .OBJ
- Интерфейсы: Wi-Fi, USB, карта памяти SD
«Мы взялись за идею 3D-печати, процесса послойного изготовления, и превратили ее в процесс производства деталей из композитных материалов», – рассказал Марк журналу Popular Mechanics. «Если обычные принтеры служат для создания формы, то наше устройство создает форму и функцию».
«Технология композитной печати позволяет создавать трехмерные модели с большей удельной прочностью, чем у алюминия», – утверждает компания. Часть антикрыла для гоночного автомобиля, изображенная на иллюстрации, состоит из нейлоновой внешней оболочки и сотовой структуры, вкупе с углеволоконным сердечником. Углеродное волокно в два раза жестче стали, в 20 раз жестче и в пять раз прочнее, чем ABS-пластик. Марк ожидает, что углеволоконный принтер Mark One будет применяться для разработки протезов, костных имплантатов, инструментов и различных приспособлений.
При всех высоких качествах углеродного волокна, этот материал с трудом поддается переработке, так как переплавка углеволокна невозможна. В любом случае, переработанное углеволокно теряет прочность по сравнению с оригиналом. Это одна из причин, по которой углеродное волокно не получило широкого распространения.
Стоимость принтера Mark One составляет $5000. Предварительные заказы можно будет разместить с февраля, с доставкой во втором полугодии 2014 года. Сайт производителя: http://markforged.com/