Благодаря чему промышленная 3D-печать становится дешевле

    image

    Большинство людей уже так или иначе встречались с 3D-печатью, однако до сих пор бытует миф о том, что на 3D-принтере можно распечатать все, что угодно. Но это далеко не так. И как следствие, 3D-печать не может найти широкого применения в производственных цепочках крупных компаний. Основной технологической проблемой трехмерной печати по методу FDM является использование в качестве перерабатываемого материала ненаполненные полимеры (полилактит, акрилонитрилбутадиенстирол), что существенно ограничивает область применения изделий, полученных с использованием FDM печати.

    Указанная проблема во многом обусловлена тем, что для материалов полимерных прутков (филаментов) предъявляются достаточно «жесткие» требования по физико-механическим свойствам, вязкости расплава – перерабатываемости, тепло-физическим свойствам, адгезии к различным поверхностям и др. Таким образом, филамент для 3D-печати является полноценным полимерным изделием. Однако изготовление трехмерных прототипов на основе таких филаментов с функциональными свойствами является чрезвычайно сложной задачей ввиду необходимости достижения высоких параметров с точки зрения механических, тепловых, электрических и других свойств конечных изделий, полученных путем трехмерной печати по методу FDM, и одновременным соблюдением технологических требований к филаменту, который используется для изготовления конечного изделия.

    Другими словами, получения “филамент” из высоконаполненных материалов (тепло- токопроводящих, высокопрочных, химически стойких и т.д.) является крайне сложной, а в некоторых случаях и вовсе невыполнимой задачей. Если же “филамент” получен, то печатать им на обычных 3D-принтерах не представляется возможным.

    В целом, использование полимерно-композиционных материалов в FDM 3D-печати связано с рядом ограничений и проблем:

    • разработка составов полимерных композиций для печати по методу FDM, с учетом особенности формования аддитивным методом изделий функционального назначения, является сложной исследовательской задачей, требующей учета свойств как получаемых изделий, так и свойств расходного материала;
    • высокая хрупкость и низкие эксплуатационные характеристики филамент из высоконаполненных композитов;
    • низкая адгезия наполнителя в полимерной матрице при определенных режимах нагрузки;
    • отсутствие технологических возможностей печати армированными филаментами;
    • ограниченный ассортимент технологий 3D-печати, перерабатывающий наполненные и высоконаполненные полимерные материалы, представленных в форме гранулята.

    image

    Решением данной проблемы является отказ от полимерных прутков и использование в качестве расходного материала для 3D-печати гранулы и порошки, которые широко применяются для промышленного литья под давлением.

    image

    Для этих целей было разработан уникальный 3D-принтер со шнеково-плунжерным экструдером, который позволяет перерабатывать низкотекучие полимерно-композиционные материалы в следующих технологических окнах:

    1. Вязкость расплавов: 5 — 100 КПа×с;
    2. Рабочие температуры: 25 — 450 °С;
    3. Температура термокамеры: 120 °С
    3. Объем печати 350×350×350 мм;
    4. Скорость печати до 30 см3/мин;
    5. Точность позиционирования от 0,05 мм.


    Перерабатываемые материалы:

    • Термопласты и термоэластоплатсы: АБС-сополимер, ПЭНП, ПП, ПВА, ПЭТФ, ПММА, ПСт, 1,2-СПБ, СБС, термопластичные полиолефиновые эластомеры, термопластичные эластомеры;
    • Высокопрочные инженерные пластики: полифенилсульфид, полиэфирэфиркетон, поликарбонат, фторопласт;
    • Биоразлагаемые полимеры: полилактиды, полигидроксиалканоаты.

    В качестве коротких армирующих агентов, для трехмерных прототипов, могут выступать самые разные полимерные и неорганические волокна:

    • Моноволокна: стекловолокно, углеродное, вискозное, полиэфирное; полиамидное, медное, никелевое, алюминиевое и серебряное волокно;
    • Гибридные волокна: металлотекстильные, металлостеклянные и металлополимерные волокна;
    • Биоразлагаемые волокна: вискозное, коллагеновое, гидрогелевое и полисахаридное волокно.


    Представленная технология позволит создавать изделия из композиционных материалов с самой широкой областью применения, и не только прототипы, но уже готовые функциональные изделия, что является актуальным в условиях нарастающих тенденций внедрения композитных материалов в крупную промышленность и ожиданий рынка аддитивных технологий.

    image

    В сравнении с “филаментными” 3D-принтерами, данная технология обладает целым рядом преимуществ:

    • широкий спектр перерабатываемых материалов — открываются возможности использования тех материалов, которые ранее были доступны только для пользователей дорогостоящей технологии Селективного Лазерного Спекания (SLS), а также доселе непригодными для 3D-печати в принципе;
    • сокращение издержек на материал в 5-10 раз;
    • увеличенная пропускная способность экструдера и, как следствие, большая скорость печати;
    • сохранение изначальных свойств материала в конечном изделии;
    • возможность экспериментировать с наполнением материала прямо во время печати;
    • возможность тестировать новые материала прямо в форме конечного изделия.

    Аналогичных разработок на Российском рынке не представлено. На западном рынке сейчас только появляются стартапы с похожими разработками, но и они уступают по качеству печати, цене и возможностям.

    image
    Пешка, напечатанная из Полиамида-6

    Зачем же использовать такое устройство, если можно любой материал отлить под давлением на термопластавтомате? Ответ прост — 3D-принтер не требует дополнительной оснастки (литиевые формы и т.д.), а цена за одно изделие сопоставима только при печати от 300 000 штук. Другими словами, мелкосерийное производство дешевле на 90% и при этом не требуется дополнительных затрат на переоснастку, только на расходный материал.

    Соответственно, потенциальные потребители — представители крупной промышленности, в сфере автомобильной и авиационной индустрии, производители изделий бытового и технического назначения, в том числе электроники, R&D центры и медицина. Также технология может найти свое применение для кастомизированного мелкосерийного производства в концепции Индустрии 4.0.
    Поделиться публикацией
    Ой, у вас баннер убежал!

    Ну. И что?
    Реклама
    Комментарии 19
      0
      Если честно, не совсем понял, чем Ваша технология лучше печати «из прутка». Каким образом армируется изделие? (Ведь важно не только наличие волокна, но и его структура, а в fdm все равно останется послойная модель).

      Может, печать из гранул лучше в том смысле, что не надо следить за состоянием прутка, ничто не запутается и не сломается. Но ведь экструдер получится более сложным и громоздким?
        0
        Я тоже не понял, но вроде бы есть преимущества.

        1. Если пруток, то есть ограничения на вязкость материала. В традиционных принтерах расплавленный пластик фактически выталкивается прутком. То есть механическая прочность прутка должна быть достаточной, чтобы продавить полимер через сопло экструдера с нужной скоростью. Тут такого ограничения нет.
        2. Нет проблем с охлаждением прутка.
        3. Материал гораздо дешевле — все-таки филамент — это уже изделие. Сырье — это гранулы.

        Экструдер, конечно, сложнее, дороже и тяжелее.

        С армированием тоже не все понятно. Армировать отдельно каждый слой в 0.1… 0.2мм — довольно странная идея.
          0
          Первое преимущество — очевидный недостаток, классический ретракт прутка работать не будет. Придется мудрить замок на конце экструдера для холостых перемещений, простая оптимизация движений не решит проблему даже на 50%
          Армированием, мне кажется, тут правильнее читать как простое наполнение, возможно для последующего спекания к примеру.
            0
            Придется мудрить замок на конце экструдера для холостых перемещений

            на ТПА это реализовано запорным конусом в сопле впрыска. Элементарная вещь в реализации
        0

        Тоже не понял преимуществ. В начале статьи вообще какой-то совершенно непонятный посыл "Все проблемы из-за того, что печатают из прутков! А надо из гранул!".
        Насколько я понимаю, тут просто слегка расширен список пластиков, которыми принтер может печатать, но современные классические 3D-принтеры тоже позволяют печатать не только из ABS и PLA.
        А о классических проблемах печати — тепловая усадка, адгезия к поверхности стола, расслоение и т.п. — никак не упомянуто.

          0
          3D-печать не может найти широкого применения в производственных цепочках крупных компаний (имеются ввиду наверное компании с крупными сериями изделий) в основном не из за технологических проблем, а в том что 3д печать многократно проигрывает по скорости традиционной штамповке/литью, для опытных образцов крупные фирмы давно используют аддитивные технологии, правда в основном фотополимеры, но для серии практически никогда, экономически необосновано
            0
            Слишком мало информации. Цена? Расход электроэнергии на условный кубический сантиметр в сравнении с FDM, Максимальные размеры распечатанного изделия? Скорость?
              0
              т.е вместо экструдера, у нас фактически некая ёмкость, в которой уже расплавленный полимер так? Тогда каким образом, ну кроме конечно силы гравитации, происходит контроль скорости и количества экструзируемого материала?
              Конечно это довольно заманчиво, иметь емкость готового к выливанию полимера, ведь тогда можно ОЧЕНЬ сильно увеличить самый убийственный параметр FDM печати — скорость. :)

              Но во первых эту емкость надо ещё нагреть, и держать нагретой все время печати.

              Во вторых либо необходимо делать термоизолированный канал от емкости до печатающего сопла, либо СИЛЬНО утяжелять печатающую голову, что совсем нехорошо…

              Ну и очевидные хрени… вот мы допечатали, в емкости остаток, и чо с ним делать? Сейчас я пла печатал, а теперь хочу абс(я уж молчу про такие тривиальные вещи, как несколько сопел под основу и поддержки, или про печать несколькими цветами)…
                0
                каким образом, ну кроме конечно силы гравитации, происходит контроль скорости и количества экструзируемого материала?

                так в статье есть:
                3D-принтер со шнеково-плунжерным экструдером,
                0
                охранение изначальных свойств материала в конечном изделии

                Какие конкретно «изначальные свойства» утрачиваются в прутковом пластике?

                сокращение издержек на материал в 5-10 раз

                Теперь еще интересно узнать издержки на замену/ремонт шнека, изготовление которого — нетривиальная задача и стоит он, соответственно, существенно дороже традиционных экструдеров.
                  +1
                  Ах, да и еще:
                  Учитывая увеличенный вес подвижной части, супротив традиционных экструдеров, для сохранения тех же скоростей перемещения — придется увеличивать мощность моторов и/или драйверов, что удорожает конструкцию.
                  Для сохранения прежних точностных характеристик, придется увеличивать жесткость всей конструкции, т.е. наращивать «мясо» станины, т.к. с увеличенным весом подвижной части и условием что мы хотим сохранить скорость, ее начнет просто гнуть во все стороны.
                  Учитывая особенность материала, а именно — гранул, для его подачи в зону экструдера уже не получится использовать тонкую трубку как для филамента, моток которого можно располагать внизу или сбоку принтера, как в традиционных конструкциях. Придется городить некий раструб-бункер, из которого гранулы будут поступать в экструдер, что скажется на габаритности принтера и ее увеличения вверх. Дельта принтер, в таком случае и вовсе превратится в эдакую Эйфилеву башню, что не слишком то удобно.
                    0
                    если я правильно понял статью то принтер уже есть и работает — т.е. вопросы с весом/точностью/размерами и т.д. уже имею вполне конкретный ответ воплощенный «в железе»
                      0
                      Для этого есть вакуумные загрузчики сырья. Для взрослых ТПА
                      +2
                      >D-принтер не требует дополнительной оснастки (литиевые формы и т.д.)

                      Формы все-таки литьевые. Поправьте, а то знакомые с химией будут офигевать…
                        0
                        Как насчет быстрой смены материала? Заменить пруток — дело нескольких секунд, плюс продавить несколько см, чтобы прочистить сопло.
                          0
                          Так же меняется материал на шнеке. Нагрев, вращение и вытеснение из под поршня расплава.
                          0
                          Другими словами, получения “филамент” из высоконаполненных материалов (тепло- токопроводящих, высокопрочных, химически стойких и т.д.) является крайне сложной, а в некоторых случаях и вовсе невыполнимой задачей.


                          в общем, перечисленные т.н. «проблемы», для полимерщиков-разработчиков «проблемами» не являются.

                          Наполненные полимеры, из-за проблем с агломерации наполнителей — тупиковый путь. Повысить физмехи крупнотоннажных полимеров, из этого фокуса давно все выжато с танцами и бубнами.

                          Было бы интересно с вами поработать, у нас есть правильные материалы, у вас — железо. Но только с прицелом на глобальный масштаб, отечественная «песочница» никак не интересует.

                          PS: «у коллег за рубежом» по части шнековых головок просто отличные результаты, а цены на такие принтеры — более чем адекватна рынку.
                            0
                            Я вот что-то не вижу решения главной проблемы 3д печати…
                            а цена за одно изделие сопоставима только при печати от 300 000 штук.

                            А скорость сопоставима? 300000 штук это максимум месяц на термопластавтомате. В полностью автоматическом режиме и на форме с 1-2 литниками. С 10 литниками за неделю все можно сделать. Сколько тысяч принтеров надо, что бы за неделю напечатать 300000 штук?
                            А как насчет автоматической печати? Ну там 200 деталек надо напечатать. Все само или каждую детальку надо снять и заново задать печать?
                              0
                              С 10 литниками за неделю все можно сделать.

                              количество литников то тут при чем? )0

                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                            Самое читаемое