引领复合3D打印的制造业新未来──Markforged X7

■ 实威国际 设备工程部 / 蔡秉勋

前言

在3D打印领域里的FDM,通常都是使用便宜且低强度的PLA、ABS等等材料,只能做产品的打样。而Markforged可以打印出连续的碳纤维增强零件,强度与机械加工铝一样强,并且可以实际使用,能够以新的方式将复合材料整合利用到工作流程中。打印零件可以广泛用来作为工具和夹具,如机械手臂末端的固定夹具……等。(图1)

在本篇文章中,笔者要为各位读者介绍的是即将于这次2021台湾3D打印暨积层制造设备展中进行实机展示的「Markforged X7」。

图1:Markforged打印的流程
图2:可使用的多样性材料选择

Markforged X7连续纤维增强技术,创造高强度工业应用

Markforged使用了连续碳纤维作为素材,这是X7机型的真正优势所在,可以利用打印出来的碳纤维零件代替传统的金属零件,因为可以实现和金属般的强度。另外还可以使用连续长丝制造(CFF)技术把材料镶嵌在热塑性的塑胶里面,在打印时透过挤出的热塑性塑胶内的第二个喷头铺设连续的高强度纤维(例如碳纤维、玻璃纤维或Kevlar),增强纤维构成打印件的主体,产生坚固和耐用的效果。(图2)

使用碳纤维材料的优势

Markforged发现短碳纤维含量合适时,短碳纤填充线材可有极高的表面平整度。短碳纤填充线材通常由重量分布均匀的5%至35%的碳纤维粉组成。这些纤维粉属于短纤,是从纤维束中磨碎或切碎而来,尺寸范围从直径5-10微米到长度50-250微米。在使用短碳纤填充线材打印时,材料挤出过程的流动性一致,使材料在印刷方向上整齐且平均,而这也意味着抗拉强度和抗弯强度的提高。主要好处分别为下列三项。

  • 边缘增加强度/刚性:直接转化为更强更硬的零件;
  • 热稳定性提高:碳纤维具有热膨胀系数低的特性,可以帮助减少在印刷过程中翘曲。此外,也有助于打印部分在热环境中抵抗变形;
  • 更大的打印零件精度:在机械和热稳定的特性,将增加碳纤维填充部件,比其未填充的对应物具备更佳的尺寸精度。(图3)
图3:连续纤维技术流程图与实体图
图4:Markforged各种材料与铝的应力-应变曲线

Onyx材料与双喷头打印的方法

作为一种新型高强度碳纤维混合尼龙材料,它将尼龙的坚韧性和耐用性与符合材料的尺寸稳定性和高强度相结合,能在复合式打印时具有高强度、韧性和耐化学性。(图4)

Markforged所开发的碳纤维双喷机,利用尼龙与短碳纤维材料的混合使打印物件大幅增强。这样的混合材料同时弥补了尼龙硬度不足与碳纤维过脆且韧性不足的问题,以双喷头的技术生产出高强度的复合材料,而这种混合打印方式,利用如碳纤维或高硬度材料包覆尼龙材料一来可以减少打印成本,二来两种材料的优缺点补偿,此种应用主要可以用在实际量产物件与高强度需求物件。

3D打印黑科技的Eiger云端打印管理──Markforged Blacksmith

Blacksmith提供一些功能,可以增强自动化制造过程。这些功能包括:

  • 打印机校准:通过雷射测微仪扫描OEM认证的工件以实现校准,从而实现打印机的一致性和扫描精度。
  • 打印并扫描零件:Eiger专利智慧扫描算法创建一个集成的扫描路径和资料点云。
  • 分析资料:Blacksmith将在打印的过程中测得的点云与设计档进行比较,生成零件的详细误差并覆盖在初始的stl上。
  • 生成报告:Eiger通过误差分析以及使用者设定的公差极限,比较同一零件的不同打印品,并总结打印质量。(图5)
图5:Blacksmith简易操作却具备强大功能的平台
图6:于航空领域设备实际应用

Markforged:Hangar One Avionics成功案例分享

团队需要为Cessna飞机制造一个中控台,位于飞行员和副驾驶座位之间的部件。该团队没有采用较慢且昂贵的传统加工,而是使用了Markforged。

结果,他们不仅在创纪录的时间内打印了控制台,还增加了更多的配件,包括两个杯架、一个飞行员按键的控制板、控制手把、USB充电器和紧急开关。控制台及其附加功能是使用Onyx FR打印的,Onyx FR是一种经过认证的UL 94V-0级阻燃尼龙混和短碳纤维3D打印材料。该团队选择采用3D打印而不是传统方法,大幅缩短了机械加工的时间。(图6)

结语

X7是Markforged最先进的工业复合3D打印机,具有第三代纤维增强系统,使用Markforged的全系列复合基础材料和连续纤维进行打印。机器能在几小时内而不是几周内就可拿到工业级零件,使工程师和设计师从根本上改善生产过程。

此外,也配置了精密加工的硬件、先进的传感器和独特的软件驱动,具有业界领先的准确性和可靠性。目前,只有Markforged工业3D打印机可提供微米级的雷射扫描以进行闭环校准,能够可靠地制造具有50μm且表面光洁的零件。

除了本文中所介绍的Markforged X7,在本次的台湾3D打印暨积层制造设备展中,我们也将展出如多样化的3D打印成品、3D Systems打印机、3D扫描设备ScanTech、Artec与UR机械手臂……等精彩技术内容。非常欢迎有兴趣的读者前来实威国际的摊位参观,现场感受碳纤维3D打印成品的强度。

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