Jak funguje 3D tiskárna typu FFF/CFF | WPEng.cz

19.04.2021

Na jakém principu funguje 3D tiskárna umožňující tisk kompozitního materiálu s využitím spojitého vlákna? Jaké jsou hlavní přínosy CFF technologie? A jak se CFR proces odlišuje od konvenční výroby? Na tyto otázky odpovídá náš další článek.


Jelikož využíváme pro 3D tisk dílů z kompozitního materiálu právě tiskárny od Markforged typu FFF/CFF, popíšeme si princip fungování na jejich profesionálních strojích.


Princip FFF

3D tiskárna je založena na technologii FFF (Fused Filament Fabrication). Jedná se o jiné označení pro původní technologii FDM (Fused deposition modeling). Nový termín zavedla komunita nezávislého projektu RepPap, aby nedošlo ke kolizi s ochranou známkou společnosti Stratasys Inc. (patent chránící technologii FDM vypršel v roce 2009).


Jedná se o tisk roztavených termoplastů, které jsou do vyhřívané trysky (extruder) dopravovány ve formě vlákna odvíjeného z cívky. Takto natavený materiál je vytlačován tryskou na podložku, vrstvu po vrstvě dle 3D modelu vytvořeného v digitální podobě. Tento princip je dnes nejrozšířenější metodou 3D tisku.


Když se přidá CFF

Aby 3D tiskárna mohla produkovat skutečně kompozitní materiál, je navíc vybavena ještě druhou tiskovou hlavou. Ta rozšiřuje možnosti o zmíněnou CFF technologii (Continous filament fabrication). Kontinuální vlákno je vkládáno do vrstvy nataveného termoplastu, který zde slouží jako matrice. Spojitá vlákna nahrazují výplň základního materiálu. Markforged tento unikátní proces nazývá jako CFR (Continuous Fiber Reinforcement). Takto vyrobené díly jsou výrazně pevnější (až 10x než jakýkoliv jiný materiál vyrobený pouze z FFF trysky). Tento kompozitní materiál může pevnostně nahradit díly původně vyráběné z hliníku (viz následující graf).

Graf srovnání pevnosti v tahu materiálů (hliník, kompozitní polymer vyrobený procesem CFR, samotné uhlíkové vlákno) dle podmínek specifikace ASTM D638
Graf srovnání pevnosti v tahu materiálů (hliník, kompozitní polymer vyrobený procesem CFR, samotné uhlíkové vlákno) dle podmínek specifikace ASTM D638

(graf zdroj: markforged.com, upraveno) 

Přínos CFR procesu

  • Komplexní geometrie dílu s nižšími náklady

3D tiskárny vynikají ve výrobě tvarově složitých geometrií díky principu skládání materiálu (aditivnost). Ve srovnání se subtraktivním procesem, který materiál ze základního polotovaru odebírá. Proces je zastoupen například konvenční technologií třískového odebírání materiálu na CNC systémech. Jedná se o počítačem řízené obráběcí stroje. 

Při odebírání materiálu je souvislost mezi náklady a tvarovou složitostí exponenciální. Pro komplexní 3D geometrie je nutné využít 5 osá CNC obráběcí centra. Tyto špičkové stroje jsou drahé na pořízení a provoz. Vyžadují programování a obsluhu (více píšeme v našem předchozím článku "Srovnáváme 3D tisk a CNC obrábění"). Proto je snahou tyto tvarově složité díly co nejvíce zjednodušovat nebo rozdělit na více dílů. Důvodem je zajištění vyrobitelnosti a snaha o snížení nákladů při obrábění. 

Při zapojení CFR procesu lze tisknout tvarově složité díly, které dosahují pevnosti kovů prakticky bez omezení.

CFR proces nám umožňuje pružně a efektivně měnit varianty jednotlivých dílů. 

  • Možnosti přizpůsobení

S konvenční výrobou jste nuceni vybírat mezi nízkou cenou, jednou variantou vhodnou pro všechna řešení, nebo velmi drahým jednorázovým dílem. Jakákoliv změna výrazně zvyšuje náklady. 3D tisk výrazným způsobem zkracuje proces získání fyzického dílu z CAD dat. CFR proces nám umožňuje pružně a efektivně měnit varianty jednotlivých dílů.


  • Skutečně funkční díly

CFR proces nám umožňuje kombinovat vysokou míru přizpůsobení se požadavkům zákazníka a nízké náklady na složité díly. Na rozdíl od běžných FFF tiskáren to poskytuje i pro funkční díly pro koncové použití. Ty pak přinášejí následující benefity.

Pevnější

CFR proces dává možnost naladit mechanické vlastnosti, které skutečně potřebujete. Rozsah je velmi široký. Na jedné straně je minimální pevnost určena základním polymerním materiálem. Využívá se především nylon, či nylon plněný sekanými mikrovlákny z uhlíku tzv. Onyx. Na straně opačné lze dosáhnout vhodně zvolenou skladbou spojitých vláken z uhlíku pevnosti na úrovni hliníku, v některých ohledech ho i překonat.


Vyšší životnost

Díly vyrobené CFR procesem vydrží déle díky pevnosti, tuhosti a trvanlivosti spojitých vláken. Pokud je jako základní materiál použit Onyx (plněn sekanými vlákny z uhlíku), získává díl na odolnosti proti otěru a houževnatosti.


Odolnost proti teplu a chemikáliím

CFR proces umožňuje dílům odolávat zvýšeným teplotám ve většině průmyslových prostředí. Sekaná vlákna z uhlíku zajišťují teplotní stabilitu dílu a zamezují kroucení. Spojité uhlíkové vlákno lze snadno nahradit skelným vláknem se zvýšenou pevností za vyšších teplot (HSHT - High Strength High Temperature). Základní materiál Onyx je chemicky velmi odolný.

Jedním z benefitů CFR procesu je možnost vyrobit tvarově složité díly s nižšími náklady než při využití konvenčních metod. 

Průmyslová kompozitová 3D tidkárna od Markforged využívající CFR proces
Průmyslová kompozitová 3D tidkárna od Markforged využívající CFR proces

(obrázek zdroj: markforged.com)  

Aplikace dílů vyrobených metodou CFR

Jak už jsme zmínili v předchozích odstavcích. Jedním z benefitů CFR procesu je možnost vyrobit tvarově složité díly s nižšími náklady než při využití konvenčních metod. Díly jsou zároveň vysoce funkční. Jednou z širokých oblastí využití ve výrobě je jako příslušenství pro fixaci, uchopení a manipulaci různých předmětů. Jelikož budou fixovat nebo podepírat manipulovaný díl ve více bodech, jsou mnohem efektivnější, než původní konvenční přípravky. Díky využití kompozitního uhlíkového polymeru jsou mnohem lehčí, tužší a pevnější.

Příkladem mohou být aplikace jako:

  • měkké čelisti pro šetrné uchopení předmětů

  • koncové efektory robotů (EOAT)

  • formovací nástroj na ohýbání plechu z hliníku či oceli

  • fixační prvky pro proces montáže, svařování, měření na CMM (coordinate measuring machine), obrábění na CNC

(obrázky zdroj: markforged.com)   


Dle zkušeností zákazníků, kteří využívají 3D kompozitové tiskárny Markforged, lze dosáhnout následujícího zlepšení mechanických vlastností.

Tuhost - spojitá vlákna zvýší tuhost až 20x ve srovnání s běžnými polymery

Pevnost - až 10x vyšší pevnost díky aplikaci spojitých vláken

Rázová odolnost - výrazné zvýšení odolnosti vůči vzniku křehkého lomu

Tečení (creep) - spojitá vlákna předcházejí změnám rozměrů materiálu v čase při dlouhodobém zatížení

(texty zdroj: markforged.com, upraveno)