A magas teljesítményű sportfelszerelésektől a prototípus repülőgépekig, a könnyű filamentek megjelentek a 3D nyomtatási színtéren, és itt is maradnak. Több megfizethető árú márka jelenléte miatt a mérnökök és a repülésszeretők egyaránt képesek néhány reményt valósággá változtatni, amikor az ultra könnyű alkatrészek 3D nyomtatásáról van szó.
Itt felfedezzük, hogyan játszanak kulcsszerepet az új habosodó és ultra könnyű anyagok a tervezések súlyoptimalizálásában, a termékek mechanikai tulajdonságainak javításában, és talán új lendületet is adhatunk azoknak a régi projekteknek, amelyek eddig nem váltak valóra.
Habosodó filamentek, habosodó granulátumok és ultra könnyű filamentek könnyebb alternatívái a PLA vagy PETG anyagoknak. Ha a projekt súlya problémát jelent (és a tervezés újratervezése nem opció), örömmel fogadhatja, hogy az új alternatívák milyen lehetőségeket kínálnak szakemberek és a hobbi szerelmesei számára. Nézzük, hogyan.
Mi az a habzó szál?
Amikor habzó anyagról beszélünk, az embernek először a borotvakrém juthat az eszébe, azonban a habzó 3D nyomtatású anyagok sokkal kontrolláltabbak és kiszámíthatóbbak.
Egyszerűen fogalmazva a habzó szál sűrűségét a nyomtatás közben alkalmazott hőmérséklet és a szál áramlási sebessége a fúvókán keresztül határozza meg. Ez kényelmes módja annak, hogy kevesebb súlyú nyomtatott alkatrészt érjünk el más műanyagokhoz képest, azonban természetesen vannak korlátok és ár, amit fizetni kell mindezért.
Vannak aktív habzó szálak (azok, amelyek a mechanikai tulajdonságok szempontjából használhatóbbak), valamint nem aktív habzó szálak, ahol nem tudja a nyomtatott alkatrész súlyát irányítani a préselési hőmérséklet segítségével, mivel a szál normál esetben eléri alsó sűrűségét még a használata előtt.
Kiemelkedő példa az Infinite Material Solutions új polipropilén szála, a Caverna PP, melyet arra terveztek, hogy egyenletesen pórusos darabokat hozzon létre, hasonlóakat a 3D nyomtatott habhoz. Ezt követően egy vízoldható utókezelési lépés történik, melynek eredményeként részben feloldódik, és remélhetőleg homogén módon válik rugalmasabbá és könnyebbé, ezzel kiemelkedően alkalmassá téve azt konkrét alkalmazásokra.
A szakmai területen a habzó anyagok rendkívüli lehetőségekkel bírnak. A habzó szerkezetek általában minimális zsugorodással és jobb méretezési stabilitással rendelkeznek, melyet a kisebb anyagbevitel tesz lehetővé. Ezenkívül kiemelkedő hő- és hangszigetelő tulajdonságokkal rendelkeznek.
Nem meglepő, hogy olyan vállalatok, mint a Boeing, az Airbus és számos más cég a gépipari és hajózási iparágakban, elkötelezett kutatás-fejlesztési csapatokkal dolgozik erős és könnyű anyagok kifejlesztésén. A habzó anyagok additív gyártásának kutatása ígéretes lehet a nagyméretű termékek, mint például hajótestformák, gyorsabb előállítására. Ezeket korábban hab befecskendezéses formázással készítették, amihez drága eszközökre volt szükség.
Elérhető lehetőségek a habosodó anyagok terén
Április 2019-ben történt, hogy a ColorFabb bevezette az aktív habosodású LW-PLA-t, kibővítve ezzel termoplasztikus anyagainak katalógusát ezzel az új forradalmi filamenttel. Azóta más gyártók, nevezetesen a 3DLabPrint és az eSun is magukénak vallották ezt az új nyomtatási módot.
A ColorFabb LW-PLA térfogata közel háromszorosára növekszik, ami lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy akár 65%-kal csökkentsék az áramlást, így könnyű alkatrészeket kaphatnak, vagy kihasználhatják a tágulási tulajdonságokat a nyomtatási idő felgyorsításához, nagy rétegmagasságok vagy egyetlen extra vastag peremek használatával. Ha mérettartó, ugyanakkor könnyű alkatrészeket szeretne nyomtatni, fontos először meghatározni az anyag lehetséges tágulását. Ezt egyetlen peremű teszkockák nyomtatásával végezheti el, anélkül, hogy lenne teteje és alja. Erről egy hasznos útmutató található a ColorFabb weboldalán.
Az LW-ASA mellett a ColorFabb további lehetőséget kínál a könnyített súlyú anyagok terén. Az LW-ASA filament sűrűsége körülbelül 1,07 g/cm3, de ha teljes kapacitással habosítják, az alkatrész sűrűsége közelíthet a 0,43 g/cm3-hez. A ColorFabb habosodó TPU-ja, a VarioShore TPU változó keménységet, csökkentett súlyt és sűrűséget kínál, mindezt megőrizve a puha tapintást és rugalmasságot. A VarioShore TPU hőmérsékletre szabható tulajdonságokkal rendelkezik. A 200ºC és 250ºC közötti hőmérsékleten az anyag kb. 1,5-szeresére duzzad az eredeti térfogathoz képest. Ez lehetővé teszi az alacsony áramlási sebességű (60-70%) nyomtatást az aktív habosodás kompenzálására, ami rendkívül puha nyomtatott alkatrészeket eredményez. 190ºC és 200ºC között az anyag hab nélkül is nyomtatható, ami eltérő haptikát és keményebb nyomatokat eredményez a habos mintákhoz képest.
Az eSun ePLA-LW (enyhe PLA) egy olyan anyag, amelyet kifejezetten modellekhez, repülőgépekhez és cosplay jelmezekhez fejlesztettek ki. Az ePLA-LW habzási arányát és szilárdságát hasonlóan a ColorFabb anyagához, a nyomtatási hőmérséklet beállításával lehet szabályozni. A habzási térfogatarány 220%, így ugyanakkora térfogatú modell nyomtatásához egy tekercs ePLA-LW anyag elég, ami 2,2 tekercs hagyományos PLA anyagnak felel meg. A habzás miatt a rétegzett mintázat szinte láthatatlanná válik. Kb. 210°C és 270°C közötti hőmérsékleten a nyomtatás során kezdi meg a habzást, térfogata pedig majdnem 1,2-szeresére növekszik. A nyomtatás során a kinyomási sebesség csökkenthető 45%-ra, így könnyebb alkatrészeket lehet nyomtatni vele.
A jelenlegi piacon elérhető harmadik habosított szál a 3DLabPrint PolyLight 1.0 nevű terméke. Ez az aktív habosított, könnyű LW-PLA anyag extrúzió közben a fűtött fej hőmérsékletétől függően több mint kétszeres térfogatnövekedést mutat. Kezdetben csak világosszürke színben volt elérhető, mivel ez a leguniverzálisabb alapszín a festéshez, azonban most a PolyLight már 9 különböző színben kapható (valamint egy ingyenes mintacsomag is jár hozzá ajándékba).
A könnyedségnek viszont megvan az ára. Az LW szálak nemcsak drágábbak tekercsenként (vagy kilogrammonként), hanem időigényesebbek is, és ami még fontosabb, a mechanikai tulajdonságok, mint például a szakítószilárdság, alacsonyabbak. Mindazonáltal a kilogrammonkénti ár (vagy szál tekercsenkénti ára) első ránézésre magasnak tűnhet a szokásos szálakhoz (pl. PLA) képest, a teljesítmény általában megduplázódik, mivel az áramlást 50-65%-ra csökkentik. Ennek eredményeként 1 kg habosított szálból ugyanannyi alkatrészt tudunk nyomtatni, mint amennyit 2 kg hagyományos PLA-val nyomtatnánk.
Habosított anyagok alkalmazása a szakmai területeken
Az előző lehetőségek mellett a ColorFabb együttműködött a Colossus nevű 3D nyomtató gyártóval egy habosított anyag kifejlesztésében, melyet nagyméretű extrúziós 3D nyomtatójukhoz alkottak meg, amely pelletes formájú anyagot használ. A Compound varioShore Pellets egy TPU-alapú összetett anyag, amely tartalmaz habzó hatóanyagot. A granulátumok rendkívül sok energiát vesznek fel, amint felmelegítik őket, és akár 1 cm vastag rétegeket is képesek nyomtatni egy 8 mm-es szórófejjel. Néhány vállalat már ezt az anyagot használta elképesztő termékek előállításához, például a fent látható 3D nyomtatott asztalokhoz.
Bár nagyrészt még mindig kutatási szakaszban vannak, a 3D nyomtatott habos anyagok fontos szerepet játszhatnak az építőiparban, a hőszigetelés alkalmazásában, sőt akár szerkezeti elemek létrehozásában is habbetonnal.
Az úgynevezett PrintFoam nevű startup ipari méretű habnyomtatással foglalkozik. Az MIT végzős hallgatói által alapított cég azt tűzte ki célul, hogy olyan technológiát fejlesszenek, amely lehetővé teszi alacsony sűrűségű UV-keményedő gyanták additív gyártását, nem szál formájában, így könnyűsúlyú szerkezeteket hozhatnak létre. Ennek a módszernek a segítségével akár 75%-os súlycsökkentést is elérhetünk, miközben a hagyományos additív gyártásra jellemző tartósságot, rugalmasságot és szilárdságot megőrizhetjük, ráadásul a költségek negyedét költve.
A PrintFoam olyan fényérzékeny gyantákat kínál, amelyek lehetővé teszik a hab pórusosságának méretének változtatását. Azonban ezeket csak a cég saját hardverén lehet nyomtatni, amit jelenleg nem értékesítenek, hanem nyomtatási szolgáltatást nyújtanak helyette. A vállalat továbbá dolgozik egy olyan EcoFoam terméken, amely képes lebomlani a környezetben.
Az elmúlt évben a Desktop Metal bemutatta a FreeFoam nevű fotopolimer gyantacsaládot. Ezzel az anyaggal “tartós és méretben pontos zárt cellás hab alkatrészeket lehet készíteni eszközök nélkül” – állítja a vállalat. Ezeknek az alkatrészeknek széles körű alkalmazási lehetőségeik vannak az autóiparban, lábbelikben és az egészségügyben.
A FreeFoam gyanta hőre aktivált habosító anyagokkal rendelkezik, amelyeket digitális fényfeldolgozással nyomtatnak, majd rövid időre bekerülnek egy sütőbe, ahol az eredeti méretükhöz képest 2-7-szeresére tágulnak. Ez lehetővé teszi, hogy az alkatrészeket egy helyen kinyomtassák, majd máshol “felhúzzák”. A Desktop Metal azt állítja, hogy kezdetben a FreeFoam kizárólag a cég ETEC Xtreme 8K 3D nyomtatóján lesz 3D nyomtatható.
A szaúd-arábiai Elastium nevű startup éppen most dobta piacra azt, amit a világ első teljes mértékben 3D nyomtatott habcipőjének nevez. Ha Ön kedveli a Crocs cipőket, akkor ez lehet, hogy önnek való. A cég jelenleg még titokban tartja a technológiáját és az anyagait, de érdemes figyelemmel kísérni a fejleményeket.
Habzó szál Tesztelve
Az LW filamentekkel való 3D nyomtatás tapasztalatok kezdetektől fogva nagyon pozitívak voltak, különösen a ColorFabb és a 3DLabPrint esetében. Mindkettővel könnyen és gyorsan sikerült kiváló minőségű eredményeket elérni.
Az eSun LW-PLA is jó választás volt súly és szilárdság szempontjából, de kinézet terén hagyott még kívánnivalót. A nyomtatás után megjelenő sárgás szín nem volt meggyőző festetlen vagy hibrid nyomtatásoknál illetve ami még kellemetlen volt, hogy ha a hűtőventilátor ki volt kapcsolva, akkor égési foltok keletkeztek a filamenten.
Azonban ezek a problémák könnyen megoldhatóak, amint bekapcsoljuk a hűtőventilátort. Alacsony beállításokkal (pl. ventillátor sebessége 5-10%) a megégett foltok szinte teljesen eltűnnek. Ha a szín nem fontos szempont, az eSun LW-PLA alacsonyabb ára miatt még mindig jó választás lehet.
A jövőben várhatóan több filament márka is piacra lép majd, hogy kielégítse a könnyű anyagok iránti igényt. Addig is szerencsére legalább három megbízható márka is kínál minőségi termékeket elfogadható és remélhetőleg egyre kedvezőbb áron.
Mennyire könnyű az ultrakönnyű?
Tegyük fel, hogy a leggyakrabban használt PLA filamentet referenciaértéknek vesszük, ami körülbelül 1,25 g/cm3 sűrűséggel rendelkezik. Az alatta lévő értékeket már ultrakönnyűnek tekinthetjük, hiszen a PLA már önmagában is könnyű anyagnak számít más ipari anyagokhoz képest.
Régebben, könnyű filamentek közül a PP (polipropilén) volt a listavezető, melynek tipikus sűrűsége 0,9 g/cm3 de lehet ennél alacsonyabb is.
A Nylon 12 rendkívül strapabíró anyag, sűrűsége 1,08 g/cm3. Nagy mechanikai terhelést, fáradásállóságot, kopásállóságot, korrózióállóságot és hőállóságot képes elviselni. Sajnos a Nylon erősen nedvszívó, így főként professzionális és ipari környezetekben népszerű könnyítés céljából.
Nyomtatás habzó anyagokkal
A habosodó anyagok általános szabálya szerint ezeket magasabb hőmérsékleten kell nyomtatni, mint a hagyományos PLA-t, különben a habképző anyag nem fogja elérni azt az energiaküszöböt, ami szükséges a reakcióhoz. Ez a reakció hozza létre a matt és pórusos befejezést, valamint az alacsonyabb sűrűségért felelős mikrohólyagokat. Tehát, ha a nyomtató fűtött feje nem képes elérni a körülbelül 200 ºC-os hőmérsékletet, akkor sajnos nem lehet kihasználni ezeket az anyagokat.
Nyomtatás előtti szempontok:
- Mivel habzó filament esetén az ágytapadás még kritikusabbá válhat, elengedhetetlen az ágy megfelelő kiegyenlítése.
- Győződjön meg arról, hogy a nyomtatószál nem volt nedvességnek kitéve. Szárítsa meg, ha szükséges.
Akár 50% -os áramlást (extruder szorzója 0,5, egyes slicer szoftverekben) is elérhet anélkül, hogy túlzottan kompromittálná a fontos mechanikai tulajdonságokat. Bizonyos áramlási értékek alatt a darab elérhet egy pontot, ahol már nem lesz elég erős, és újragondolásra lesz szükség ahhoz, hogy vissza lehessen állítani a funkcionális állapotát, mivel sajnos a szilárdság és súlycsökkentés nem követ lineáris arányt.
Alapvető nyomtatási beállítások:
Tartsa kikapcsolva a ventilátort, és csökkentse a nyomtatási sebességet a PLA értékének felére, mint általános szabály. A ColorFabb mellett a népszerű 1,75 mm-es átmérő mellett 2,85 mm-es méretet is kínál, amelyet könnyen nyomtathat 0,6 mm, 0,8 mm vagy akár 1,0 mm-es nozzle használatával. Ez a szélesebb átmérő lehetővé teszi a nagyobb rétegek kialakítását, ami gyorsabb nyomtatási teljesítményhez vezet (térfogati sebesség).
Legjobb tanácsunk az, hogy kövesse a gyártók ajánlásait, és bár különböző nyomtatók és extruderek különbözőképpen reagálhatnak, a gyártók által javasolt beállítások jó kiindulási pontként szolgálhatnak. Ha a technikai adatlap nem elérhető (például az eSun LW-PLA esetén), vagy ha az eredmény nem a várt eredmény, próbálja ki az “5 szabályát”, és változtasson csak egy paramétert egyszerre.
Az 5. szabály:
- Áramlás: 50% (vagy extruder szorzó: 0,5).
- Fúvóka: 250 Celsius
- Ágy: 55 Celsius
- Sebesség: a normál PLA 50%-a (a biztonság kedvéért).
- Ventilátor sebesség: 0 % (Ki)
Ezenkívül állítsa a visszahúzást 2,5 mm-nél kisebbre (ideális esetben „Nincs visszahúzás”).
Könnyű anyag vs könnyű dizájn
A könnyítés szerepéről a 3D nyomtatás terén nem lehet teljes beszélgetést folytatni anélkül, hogy kicsit ne szólnánk a tervezés szerepéről a rész vagy termék súlyának csökkentésében. Mint az élet más területein, itt is egyensúlyra van szükség, ahol az optimált tervezés és a széles anyagválaszték együttesen hoz létre szinergiát.
Manapság széles körű a választható CAE szoftverek palettája, amelyek képesek könnyíteni a mérnökök és tervezők munkáját, és bizony csábító lehetőség a technológia megbízhatóságára hagyatkozni. A generatív tervezések és a topológiai optimalizáció értékes megközelítések, amelyek optimalizálják a munkafolyamatot és a tervezési iterációkat paraméterek, törvények és szabályok alapján. Emellett a hagyományos és egyszerű töltőanyag definíciók, mint például a mézházas vagy a bonyolultabb rács algoritmusok is jól párosíthatók egy jól képzett és okos tervezéssel a “több, mint elég jó” dizájnokért.
Eredeti forrás: All3dp.com
