Material komposit pencetakan 3D:Panduan pengantar

Manufaktur aditif dapat digunakan dengan berbagai bahan, mulai dari termoplastik berperforma tinggi seperti MENGINTIP hingga logam yang siap digunakan untuk ruang angkasa seperti titanium.

Namun, terkadang para insinyur ingin menggabungkan sifat dari dua bahan yang berbeda, dan salah satu cara terbaik untuk melakukannya adalah dengan menggunakan komposit . Digunakan dalam proses seperti FDM dan SLS (serta teknologi baru), material komposit biasanya mengandung bahan termoplastik dasar dan elemen penguat seperti serat karbon. Rasio antara dua elemen dapat bervariasi, seperti juga metode pengintegrasian bahan penguat.

Karena teknologi pencetakan 3D terus meningkat, penggunaan komposit yang dapat dicetak 3D menjadi lebih luas. Dan penggunaannya juga tidak terbatas pada industri:sementara beberapa komposit (serbuk SLS, misalnya) ditargetkan terutama untuk pengguna industri , lainnya (seperti termoplastik yang diperkuat serat cincang) dapat digunakan pada printer 3D FDM harga menengah untuk konsumen dan profesional .

Artikel ini berfungsi sebagai panduan pengantar untuk bahan komposit pencetakan 3D. Ini membahas beberapa bahan komposit populer dan teknologi pencetakan komposit, menjelaskan perbedaan antara serat cincang dan komposit serat kontinu, dan mempertimbangkan aplikasi utama dan keuntungan komposit pencetakan 3D.

Apa yang dimaksud dengan bahan cetak 3D komposit?

Sederhananya, material komposit adalah material yang terdiri dari dua atau lebih material yang berbeda . Spesialis pencetakan 3D komposit Markforged mendefinisikan komposit sebagai "terdiri dari lebih dari satu bahan yang, bila digabungkan, memiliki sifat yang berbeda dari bahan aslinya."

Contoh komposit di luar pencetakan 3D termasuk kayu lapis (lapisan veneer kayu yang berbeda) dan beton bertulang (beton yang diperkuat dengan batang baja).

Dalam pencetakan 3D, komposit biasanya merupakan kombinasi dari termoplastik bahan dasar (matriks) dan penguat elemen seperti serat karbon, fiberglass, graphene, atau kevlar . (Perhatikan bahwa campuran dua termoplastik, seperti PLA + ABS, biasanya disebut sebagai campuran , bukan komposit.) Bahan dasar dapat berupa apa saja, tetapi pengguna industri biasanya menggunakan termoplastik premium yang memiliki karakteristik bahan yang baik bahkan tanpa elemen penguat; plastik tersebut termasuk PC, nilon, dan PEEK.

Komposit dapat mengambil bentuk material yang berbeda, yang paling umum adalah campuran bubuk untuk sintering laser selektif (SLS) dan campuran filamen untuk fused deposition modeling (FDM) . Kurang umum tetapi sangat menarik adalah komposit yang terbuat dari bahan dasar yang dikombinasikan dengan serat kontinu yang, dengan menggunakan proses baru, dapat dijalin atau ditenun menjadi matriks termoplastik saat sedang dicetak. Proses tersebut biasanya memerlukan dua nozel:satu untuk menyimpan termoplastik, dan satu lagi untuk mendistribusikan serat kontinu. Terakhir, ada juga resin komposit untuk fotopolimerisasi tong dalam jumlah terbatas Proses pencetakan 3D seperti stereolithography (SLA); dengan teknologi ini, bahan dasar resin termoset dapat diawetkan di sekitar kerangka serat penguat.

Material pencetakan 3D komposit populer

Baik dalam bentuk bubuk, filamen, atau bentuk lainnya, bahan cetak 3D komposit biasanya dikembangkan untuk kekuatan yang tinggi. , kekakuan high yang tinggi , stabilitas dimensi yang bagus , dan kekuatan-ke-berat good yang bagus perbandingan. Serat sangat ringan, dan mereka dapat secara drastis meningkatkan kekuatan termoplastik tanpa menambah massanya. Komposit teknik cetak 3D bahkan dapat digunakan sebagai pengganti logam.

Termoplastik dasar untuk komposit pencetakan 3D FDM berkisar dari polimer komoditas seperti PLA dan ABS di ujung skala yang lebih murah, hingga polimer berperforma tinggi seperti PEEK di akhir premium. Nilon adalah bahan utama yang digunakan untuk serbuk SLS komposit (karena merupakan bahan utama yang digunakan dalam sintering laser pada umumnya), tetapi bahan berkinerja tinggi seperti PAEK juga dapat digunakan.

Saat melihat komposit secara keseluruhan (termasuk di luar pencetakan 3D), fiberglass adalah bahan penguat paling populer — dan juga banyak ditemukan dalam komposit pencetakan 3D. Namun, dalam manufaktur aditif, serat karbon jauh lebih banyak digunakan daripada kaca, karena pencetakan 3D komposit digunakan untuk banyak aplikasi penting di mana kekuatan karbon yang unggul sepadan dengan biaya tambahan. Bahan penguat lainnya termasuk Kevlar dan graphene.

Bahan dasar

• Poliamida / nilon (PA): 
• Akrilonitril butadiena stirena (ABS)
• Asam polilaktat (PLA)
• Polikarbonat (PC)
• Polieterimida (PE)
• Polifenilen sulfida (PPS)
• Polyether ether ketone (PEEK)
• Polyaryletherketone (PAEK)

Bantuan

• Serat karbon
• Fiberglass
• Manik-manik kaca
• Kevlar
• Grafena
• Logam lainnya

Contoh material komposit bermerek di pasaran termasuk EOS PA 640-GSL , bubuk SLS nilon PA 12 yang diperkuat dengan manik-manik kaca dan serat karbon; CarbonX PETG+CF dari 3DXTech , filamen PETG FDM yang diperkuat dengan serat karbon cincang; dan Onyx Markforged , bahan dasar nilon yang diisi dengan serat karbon yang juga dapat diperkuat dengan serat kontinu menggunakan teknologi pencetakan komposit milik Markforged.

Proses pencetakan 3D untuk material komposit

Selain beberapa pengecualian, teknologi pencetakan 3D utama untuk pencetakan 3D komposit adalah fused deposition modeling (FDM), selective laser sintering (SLS), dan teknologi baru untuk pencetakan serat berkelanjutan.

FDM

FDM adalah proses pencetakan 3D yang paling banyak digunakan untuk komponen plastik, dan banyak mesin harga menengah yang mampu memproses material komposit seperti ABS yang diperkuat serat karbon. Bahan komposit untuk FDM terdiri dari bahan dasar termoplastik dan (biasanya) serat terputus-putus. Serat ini dapat memperkuat dan menguatkan bagian yang dicetak, tetapi dalam jumlah yang lebih besar juga dapat membuat filamen lebih sulit untuk dicetak dan dapat berdampak negatif pada kualitas permukaan.

SLS

SLS adalah proses pencetakan 3D plastik lain yang cocok untuk produksi komponen komposit. Karena biaya dan kompleksitas sistem SLS, teknologi ini banyak digunakan oleh pengguna industri. Bahan adalah campuran bubuk termoplastik (seringkali nilon) dan elemen penguat seperti serat cincang atau manik-manik kaca. Perhatikan bahwa bubuk SLS komposit tidak universal; produsen perangkat keras seperti EOS membuat mesin yang didedikasikan untuk pencetakan komposit.

Proses serat berkelanjutan yang baru

Salah satu bidang manufaktur aditif yang paling mutakhir adalah pencetakan komposit dengan serat kontinu — sebuah konsep yang dijelaskan di bagian berikut. Perusahaan seperti Markforged, Desktop Metal, Orbital Composites, 9T Labs, dan Anisoprint semuanya telah mengembangkan perangkat keras manufaktur aditif komposit yang dapat mengintegrasikan serat kontinu ke dalam bagian termoplastik selama pencetakan, biasanya dengan memasukkan serat kontinu ke setiap lapisan menggunakan nosel terpisah.

Serat cincang vs komposit serat kontinu

Bahan cetak 3D komposit dengan serat penguat dapat dibagi menjadi dua kategori berbeda:komposit serat cincang dan komposit serat kontinu. Jadi, meskipun dua komposit yang berbeda mungkin mengandung bahan penyusun yang sama persis, mereka mungkin bekerja dengan cara yang sangat berbeda tergantung pada apakah mereka memiliki serat yang dipotong atau yang kontinu.

• Serat cincang adalah untaian kecil bahan penguat seperti karbon atau Kevlar. Biasanya berukuran kurang dari satu milimeter panjangnya, untaian ini dapat dengan mudah dicampur ke dalam matriks termoplastik (PLA, ABS, dll.), memberikan peningkatan kekuatan dan kekakuan pada plastik biasa. Serat cincang sangat berguna karena sangat serbaguna :mereka dapat dicampur dengan berbagai macam termoplastik, dan komposit yang dihasilkan dapat dicetak pada printer 3D biasa. Namun, ketika serat cincang dicampur ke dalam bahan dasar, setiap serat individu mengambil orientasi acak , yang membuat material kurang kuat dibandingkan material dengan serat kontinu.
• Serat kontinu , sebaliknya, lebih panjang, searah untaian bahan penguat yang, ketika diintegrasikan ke dalam matriks termoplastik, memberikan kekuatan yang jauh lebih unggul dibandingkan dengan serat cincang. Ini karena untaian dapat menyerap dan mendistribusikan beban di seluruh panjangnya, sehingga panjang kontinu yang lebih panjang memiliki kapasitas menahan beban yang lebih besar daripada untaian cincang kecil. Hanya dalam lima tahun terakhir ini pencetakan 3D komposit serat berkelanjutan menjadi arus utama, dengan beberapa produsen mengembangkan teknologi mereka sendiri. Tak perlu dikatakan, pencetakan komposit serat kontinu lebih mahal daripada pencetakan komposit serat cincang, karena diperlukan perangkat keras khusus.

Aplikasi material komposit

Material komposit memiliki banyak kegunaan di banyak industri, dan aplikasi mencakup prototipe , bagian penggunaan akhir , dan perkakas .

Sektor yang menggunakan manufaktur aditif dan komposit pencetakan 3D meliputi aerospace, otomotif, elektronik, barang konsumsi, medis, dan industri . Sebagian besar industri ini menggunakan pencetakan 3D komposit untuk membuat komponen dengan kekakuan tinggi dalam skala kecil (walaupun beberapa perangkat keras ekstrusi format besar mampu mencetak komposit).

Perkakas — dalam skala kecil atau besar — ​​adalah aplikasi yang sangat relevan untuk pencetakan 3D komposit, karena bahan yang diperkuat sangat ideal untuk cetakan dan perkakas ujung.

Dalam hal teknologi tertentu, pencetakan 3D serat berkelanjutan menawarkan cakupan aplikasi potensial terbesar (dibandingkan dengan FDM atau SLS), meskipun masih dalam tahap awal dan tidak banyak digunakan seperti teknik pencetakan 3D serat cincang.