La fibra può essere presente nelle parti stampate in 3D per quanto riguarda le Stampanti 3D MarkForged, in due diversi formati.
- Le fibre non continue, lunghe meno di un millimetro, sono in sospensione dentro ad una base termoplastica di nylon e prendono il nome di Onyx. Questa combinazione, chiamata “filled plastic” o plastica riempita, viene estrusa utilizzando il processo di stampa standard FDM. Queste fibre non continue rafforzano il materiale termoplastico, aumentando la resistenza allo sforzo sotto stress e la capacità di flessione. L’Onyx tecnicamente non risulta essere un vero e proprio materiale composito, dato che le fibre sono mescolate all’interno della plastica.
- Un altro formato sono le fibre continue, tra cui la fibra di vetro, la fibra di Carbonio e il Kevlar, che conferiscono la resistenza direzionale del metallo alla parte di materiale composito. Hanno moduli elastici superiori tra le 16 volte e le 46 volte rispetto alla plastica e inoltre la fibra di Carbonio è quasi equivalente a quella d’alluminio (rispettivamente 60 GPa e 69 GPa). A differenza delle fibre non continue che sono sospese nella plastica, le fibre continue corrono ininterrottamente nella parte, distribuendo così il carico sulla geometria tridimensionale. Questo tipo di materiale offre migliori prestazioni in termini di tensione, quindi è di fondamentale importanza eseguire la stampa tenendo conto delle condizioni di carico.
In questa immagine vediamo a confronto la rigidità del materiale di stampa 3D. Da sinistra a destra è testata una plastica continua rinforzata con fibra di vetro, a seguire una plastica in fibra di carbonio non continua, ABS e PLA con un peso di 7,5 libbre.
A causa delle loro proprietà specifiche, le fibre richiedono un metodo di stampa 3D diverso dal FDM.
Di fatti le fibre non vengono fuse ed estruse come la plastica, ma vengono invece posate intatte attraverso un ugello di stampa dedicato. In questo modo, un sottile rivestimento di plastica intorno alla fibra si fonde in modo da aderire alla matrice. Questo tipo di costruzione in materiale composito è chiamata “Continuous Fiber Fabrication” (CFF), ed è un’esclusiva delle stampanti Markforged.
Come fa la stampante a sapere dove depositare la fibra? Tutti i parametri di composizione sono definiti nel software Eiger che si occupa della stratificazione. Dopo che l’utente ha indicato quali strati debbano accogliere la fibra, quanta e secondo quale pattern, il software istruisce la stampante a posizionare gli strati di riempimento solido “a pavimento” sopra e sotto la regione che include la fibra, e indica anche quando passare dal riempimento in plastica al deporre la fibra continua.
Sezione di una leva del freno in Onyx, fermata a metà della stampa per mostrare il riempimento e la fibra di Kevlar continua.
Ciò che rende questo processo di fabbricazione così eccezionale è la capacità della stampante di integrare i modelli di fibra definiti dall’utente, strato per strato. Dal punto di vista della strategia ingegneristica i compositi possono non essere una novità, ma ciò che è fondamentalmente diverso è la facilità con cui possono essere implementati come alternative funzionali alle parti metalliche.
Materiali termoplastici a tre matrici con quattro fibre continue
Se usi la stampante 3D per la creazione del tuo pezzo puoi scegliere tra i tre materiali:
- Nylon White
- Onyx
- Onyx FR (Autoestinguente V0-UL94)
e quattro fibre:
- fibra di vetro
- fibra di Carbonio
- Kevlar
- fibra di vetro ad alta resistenza alle alte temperature (HSHT)
Queste 15 combinazioni (inclusa l’opzione senza fibra) rendono la stampante versatile e in grado di fornire un’ampia gamma di proprietà al pezzo stampato.
Se hai bisogno di un‘elevata resistenza combinata con il ritardante di fiamma puoi utilizzate Onyx FR e fibra di Carbonio. Mentre se vuoi gestire carichi ripetuti e mostrare una finitura bianca e liscia prova il Nylon White e il Kevlar. Se hai la necessità di produrre un pezzo robusto ma poco costoso puoi combinare Onyx e fibra di vetro.
Di seguito una breve panoramica dei quattro materiali in fibra e delle tre opzioni di matrice, per capire meglio quando utilizzarli.
Termoplastici
Il nylon bianco è liscio, non abrasivo e facilmente verniciabile. Può essere rinforzato con qualsiasi fibra continua e funziona al meglio quando è richiesta una colorazione chiara e si lavora in ambienti puliti. È molto più resistente del PLA e resistente quasi quanto l’ABS.
Sezione di una leva del freno in Nylon White, fermata a metà della stampa per mostrare il riempimento e la fibra di carbonio continua.
L’Onyx è il nylon rinforzato con fibra di carbonio non continua, di cui si è parlato sopra. È 1,4 volte più forte e più rigido dell’ABS e può essere rinforzato con qualsiasi fibra continua. L’Onyx, oltre ad un’ottima qualità superficiale, ha una buona resistenza ai prodotti chimici e una buona resistenza al calore.
La versatilità di Onyx lo rende adatto a qualsiasi cosa, dai pezzi di consumo ai sistemi di bloccaggio per la produzione.
Onyx FR ha la certificazione V0 nel test di infiammabilità UL-94, pur possedendo proprietà meccaniche simili a quelle di Onyx. È il migliore materiale per le applicazioni in cui sono richiesti ritardo di fiamma, peso minimo e resistenza.
Onyx FR è ideale per la produzione rapida di impianti di saldatura personalizzati.
Fibre
La fibra di vetro è una fibra multiuso: funziona nella maggior parte degli scenari, e tra le fibre MarkForged è l’opzione più economica. La fibra di vetro è 3 volte più resistente e 11 volte più rigida dell’ABS, e funziona meglio sotto carico discontinuo. Le sue applicazioni più comuni includono prototipi, staffe, maschere di perforazione e ganasce morbide senza segnare il pezzo.
Questo rendering mostra un pezzo con lo scheletro interno di fibra continua, elemento che aumenta drasticamente la resistenza e la rigidità.
La fibra di Carbonio, tra le quattro fibre, è il cavallo di battaglia e vanta un rapporto resistenza/peso del 50% migliore rispetto all’alluminio 6061-T6. Ha inoltre un modulo di trazione più o meno equivalente a quello dell’alluminio e una rigidità 24 volte superiore a quella dell’ABS. Se la massima resistenza è ciò di cui si ha bisogno, la fibra di Carbonio è l’opzione migliore. I clienti Markforged sostituiscono le parti in alluminio lavorato con Onyx rinforzato con fibra di Carbonio – che può essere facilmente modificato tra una stampa e l’altra, senza che questo richieda interventi di riprogrammazione da parte di un operatore come avviene sul CNC. Le sue applicazioni includono attrezzature di lavorazione, manipolatori in un braccio robotizzato – e tutti i pezzi di uso finale che sono soggetti a carico costante.
La fibra di Carbonio è appropriata per questo telaio di una sega circolare, che richiede la massima rigidità. Siemens ha risparmiato 8.000 dollari e 35 settimane di produzione stampando questo oggetto piuttosto che produrlo con una lavorazione tradizionale.
Il kevlar è estremamente durevole, resistente agli urti e rispetto ad altre fibre si deforma elasticamente molto di più prima di cedere. Le applicazioni ideali includono qualsiasi impatto ripetuto o improvviso, come il serraggio o lo stampaggio.
Il rinforzo in kevlar è risultato essere adatto alle ripetute forze di serraggio di queste valvole in alluminio fuso.
La fibra di vetro HSHT mantiene le sue proprietà del materiale fino a 150°C o anche 200°C, a differenza della soglia di 105°C per le altre fibre. Ciò significa che è meno suscettibile agli effetti termici e che rimarrà resistente anche quando è molto sollecitato termicamente a differenza delle altre fibre continue (questo è vero per HSHT anche in forma composita perché l’Onyx e l’Onyx FR hanno un grado di flessione al calore di 145°C ). HSHT è adatto sia per il carico costante che discontinuo e le applicazioni più comuni sono i dispositivi di saldatura, termoformati, stampi termoindurenti o formatura per soffiaggio.
Humanetics utilizza Onyx e HSHT per produrre stampi termoindurenti che sono precisi, robusti e resilienti sottoposti a calore elevato.
Per tutte le fibre c‘è un’ampia possibilità d’uso. Il rinforzo di una matrice plastica con qualsiasi fibra offre un enorme vantaggio, dato che tutte le fibre sono molto più resistenti della sola plastica, e ogni fibra è ulteriormente ottimizzata per specifici scenari “di carico”. Se da un lato solo un tipo di fibra può essere incorporato in una data parte, dall’altro è possibile controllare dove si vuole mettere la fibra per regolare le prestazioni della parte. È possibile avere una panoramica di questi aspetti nel diagramma qui sotto.
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