Budoucnost patří kompozitním polymerům | WPEng.cz

01.03.2021

Kompozitní polymery získávají na stále větší oblibě. Je to dáno především pokrokem v oblasti samotných 3D tiskáren, tak i novými materiály s výrazně lepšími mechanickými vlastnostmi. Již nyní můžeme tisknout funkční díly k finálnímu použití, které konkurují obrobkům z hliníku. Jaké kompozitní materiály jsou již dnes dostupné a na které se můžeme těšit v budoucnu

Kompozitní tiskárna Markforged Mark Two
Kompozitní tiskárna Markforged Mark Two

(foto zdroj: markforged.com)


Markforged

Před několika lety přišla americká společnost Markforged s tiskárnou typu FDM, která umožňuje do základního materiálu vkládat spojité vlákno. Nabízí několik variant vloženého vlákna. Je jím pevný a lehký karbon, otěru odolný kevlar, či skelné vlákno. To může být v provedení odolávající zvýšeným teplotám.

Lze získat pevnost v ohybu až 540 MPa, která překonává hliník 

Základním materiálem je Onyx, nylon plněný nasekanými karbonovými mikrovlákny. Dosahuje pevnost v ohybu 71 MPa. Tvoří základní matrici kompozitu, do které je vkládáno dle potřeby spojité vlákno. V případě zatištění karbonového vlákna lze získat pevnost v ohybu až 540 MPa, které překonává hliník (AL 6061-T6, 480 MPa).

Graf závislosti ohybového napětí na deformaci
Graf závislosti ohybového napětí na deformaci

(graf zdroj: markforged.com)

Dalším benefitem kompozitního dílu vůči hliníkovému obrobku je úspora hmotnosti. Srovnatelný díl může být až o 40% lehčí.


RIZE

Výrobce 3D tiskáren RIZE představil své nové vysoce odolné kompozitní vlákno RIZIUM. Je plněno skelným vláknem. Jeho předností je především rozměrová stabilita a tuhost. Je tak předurčeno pro výrobu rozměrných dílů. Při využití tiskárny xRize, lze materiál využití pro vícebarevný tisk. Jedná se o první kompozitní materiál firmy RIZE, který to umožňuje.

Část převodovky z materiálu RIZIUM se skelným vláknem
Část převodovky z materiálu RIZIUM se skelným vláknem

(foto zdroj: 3dprintingindustry.com) 

Barevnosti výsledného dílu je dosáhováno během tisku, kdy s využitím technologie APD (Augmented Polymer Deposition) je aplikován barevný inkoust. Uživatel tak může na díl tisknout loga, texty či QR kódy. Barevných kombinací může být až 820 000.

Technologie APD využivající barevný inkoust
Technologie APD využivající barevný inkoust

(foto zdroj: rize3d.com)

Kompozit je založen na matrici z cyklických olefinů, které udájně neuvolňují škodlivé emise při daných tiskových teplotách. Nabízí nízkou absorpci vlhkosti a výbornou chemickou odolnost. Že se jedná o bezpečný materiál dokazuje zisk certifikace UL Greenguard. Ten potvrzuje možnosti využití materiálu pro tisk v uzavřených prostorách jako jsou kanceláře.


Univerzita v Seville

Vědci ze Sevillské univerzity ve Španělsku vyvinuli novou metodu výroby kompozitních vláken pro 3D tisk technologií FFF. Vlastnosti takového vlákna lze přizpůsobovat širokým požadavkům.

Příprava plněných polymerových tobolek
Příprava plněných polymerových tobolek

(foto zdroj: 3dprintingindustry.com)

Metoda využívá polymerové tobolky naplněné magnetickými přísadami. Pomocí šnekového extruderu je z těchto kapslí vyrobeno nové kompozitové vlákno. To obsahuje rovnoměrně rozložené aditiva. Jsou to částice zatištěné v základní matrici, které dodávají pevnost či jiné požadované vlastnosti. Rozhodující je především dosáhnout dobré homogenity aditiv v celém materiálu.

Rentgenový snímek zobrazující homogenní rozložení aditiv
Rentgenový snímek zobrazující homogenní rozložení aditiv

(foto zdroj: 3dprintingindustry.com)

V konkrétní studii se jednalo o kapsle z PLA naplněných magnetickým ocelovým práškem. Následně pomocí extruderu vytvořené spojité vlákno bylo zkoumáno rentgenem. Dosažené výsledky vidíte na následujícím obrázku.


Vlákno pro bitevní pole

Výzkum americké armády přinesl nové více-polymerové vlákno, které lze využít na 3D tiskárnách s technologií FFF. Přínosem nového materiálu bude především možnost dodat rychle a za zlomek ceny kriticky důležité součásti pro plnění úkolů armády na bitevní poli.

Díly z běžně dostupných polymerů vytišněné na 3D tiskárně FFF mají jen průměrné mechanické vlastnosti. Tuto slabinu chce výzkum americké armády eliminovat. Rozhodli se na 3D tiskárně vyrobit polotovar nového materiálu ve tvaru válce, který v dalších fázích zpracují na finální vlákno navinuté na cívku. Polotovar tvoří válec s pláštěm z ABS, jehož jádro vyplňuje PC ve tvaru hvězdy.

Výroba kompozitního vlákna ABS-PC
Výroba kompozitního vlákna ABS-PC

(foto zdroj: 3dprintingindustry.com)

Takto zpracované díly dosahují tažnosti jako ABS, ale houževnatost je 15x vyšší. 

Nový materiál je v dalším kroku zahříván, tažen přes snímače průměru a napětí. Výsledkem je tenké vlákno připravené pro 3D tiskárnu. Poté je vytišněný díl tepelně zpracován v peci, aby došlo k propojení vrstev. Zpracování trvá 24-48h. Takto zpracované díly dosahují tažnosti jako ABS, ale houževnatost je 15x vyšší.

Armáda usiluje o tisk dílů přímo v terénu, kvůli zjednodušení logistiky. Vojáci jsou nucení často improvizovat a hledat potřebné konstrukční řešení. Nový polymerní materiál s vyšší pevností jim umožní dočasně vyřešit nastalé problémy při plnění úkolů.

(text zdroj: 3dprintingindustry.com, rize3D.com, mmspektrum.com)