Mik azok a kompozitok? Hogyan jelent meg a kompozitnyomtatás és melyik céget tekinthetjük a gyártástechnológia bölcsőjének? Legújabb írásunkban ezekre a kérdésekre is megadjuk a választ.
Sorozatunk előző részében a színes 3D nyomtatás kezdetét ismertettük, ezúttal pedig az „anyagtechnológiai robbanásnak” köszönhető új gyártási eljárást, a kompozitnyomtatást mutatjuk be. Ezzel a 3D-s technológiával olyan műanyag alkatrészek állíthatók elő, amelyek ugyanúgy vagy még jobban terhelhetők, mint a fémből készítettek. Ráadásul ezek a tárgyak gyorsabban és olcsóbban gyárthatók, továbbá könnyebbek is a fém alkatrészeknél. Érthető tehát, hogy az ipar kapva kapott a lehetőségen, majd rövid idő alatt az alkalmazások széles tárházát vonultatta fel.
A kompozitnyomtatás bölcsője: Markforged – 2014
Elsőként adódik a kérdés: mik is azok a kompozitok? Olyan összetett anyagok, amelyek két vagy több anyag kombinációjából épülnek fel azért, hogy a hasznos tulajdonságaikat összekapcsoljuk, a károsakat pedig csökkentsük. A kompozitok óriási előnye, hogy a tulajdonságaikat az igényeinknek megfelelően szabályozhatjuk. A szakma az alapanyagot mátrixnak, a többit erősítő anyagnak nevezi. A leggyakrabban használt erősítő anyag a szénszál.
A kompozitnyomtatásra egy cég létrejötte gyakorolt kiemelkedő hatást. A Markforged Incorporation-t Gregory Thomas Mark és David Benhaim alapította 2013-ban az egyesült államokbeli Waltham városában (Massachusetts államban).
Gregory Thomas Mark az Aeromotions egyik tulajdonosaként korábban számítógéppel vezérelt versenyautó-légterelőket gyártott. Az alkatrészeknek könnyűeknek és nagyon erőseknek kellett lenniük, ezért szénszálas anyagból készültek. 3D nyomtatás nélkül ez úgy valósulhatott meg, hogy az egyes rétegeket kézi munkával alakították ki, ami igen fárasztó, költséges, ráadásul hosszú gyártási folyamatot eredményezett. Így Mark olyan 3D-s rendszert keresett, amely képes szénszálas anyagokat printelni. Ekkoriban azonban ilyen gép még nem létezett.
Éppen ezért Mark saját 3D-s innovációba kezdett: rövid idő alatt elkészítette a világ első szénszálas nyomtatóját, a Mark One-t, és kifejlesztette hozzá a folyamatos szálerősítéses nyomtatási eljárást (a Continuous Fiber Fabrication-t, vagyis a CFF-et). A 3D nyomtató prototípusát először 2014-ben, az évente megrendezett, nagyszabású SolidWorks World-ön láthatta a közönség. A Mark One sokrétű kompozit printer, amely képes szénszál, üvegszál, nejlon és PLA nyomtatására is, ráadásul az asztali kategória ékes tagja.
A Mark One-nal 20-szor merevebb és 5-ször erősebb alkatrészek készíthetők, mint az ABS-t (akrilnitril-butadién-sztirol hőre lágyuló műanyagszálat) használó 3D printerekkel. Ugyanakkor a Markforged által gyártott alkatrészek fajlagos szakítószilárdsága nagyobb az alumíniuménál.
A technológia
A kompozit 3D nyomtatók hasonlóan működnek, mint a kétfejes FDM-es (műanyagszál-olvasztásos) gépek. Az eltérés az, hogy a Markforged nyomtatók egyik feje a műanyag alapanyagot (mátrixot), míg a másik az erősítő anyagot (a folyamatos szálerősítést) helyezi el a rétegekben. Ezzel szemben az FDM-es gépek kétféle műanyagszálat printelnek.
A kompozitnyomtatásnál az alapanyag nejlon vagy Onyx, utóbbi nejlon és mikroszénszál keveréke. A két alapanyag pedig négyféle erősítő anyaggal kombinálható: szénszállal, üvegszállal, kevlárral és nejlonnal. Az iparban a méret-, a pontos részlet-, valamint a megadott tűréshatártartás mindig a kritikus tényezők közé tartozott. A Markforged ezért 2017-ben kidolgozta a folyamatba ágyazott minőségellenőrzést, a Markforged X7 printer műszaki megoldásaival és a Blacksmith szoftverrel. A Markforged X7-be lézeres elmozdulásérzékelőt építettek, amely a szoftverrel együtt nyomtatás közben képes beszkennelni és vizsgálni a modellt.
A Markforged 2017 decemberében szabadalmat adott be kompozitos fémnyomtatásra. Az eljárás a következő: a kompozit építőanyagszál és az elválasztóanyagszál is tartalmaz fém- vagy kerámiaport, illetőleg kötőanyagot. A szálakat olyan hőmérsékletre melegítik, amelytől meghajlanak ugyan, de nem törnek el. Ezután az alkatrészt szinterelik, vagyis a kötőanyagot leégetik, miközben a fém- vagy a kerámiapor a sűrű fémréteggel egyesül.
A Markforged-gépek más gyártóktól eltérően nemcsak műanyagokat, hanem szénszálat, rozsdamentes acélt, üvegszálat, titánt, valamint egyéb anyagokat is képesek nyomtatni. Ezek után nem csoda, hogy a cég a világpiacon a repülőgépipari vállalatok 75 százalékát látja el termékeivel és szolgáltatásaival.
Következő írásainkban a 3D nyomtatás olyan alkalmazási területeivel foglalkozunk, amelyek illeszkednek a Nemzeti Közszolgálati Egyetem képzési profiljához. Elsőként a térbeli nyomtatás publikálható katonai alkalmazásának lehetőségeit ismerhetik meg
