طیف وسیعی از مواد موجود در چاپ سه بعدی، حتی فقط در مدل سازی نشست ذوب شده، در چند سال گذشته رشد چشم گیری داشته است. نه تنها چندین مارک معتبر وجود دارد که انواع ترموپلاستیک مانندABS ، PLA ، نایلون و PETG را حمل می‌کنند، بلکه کامپوزیت‌هایی از تمام این مواد وجود دارد که ذرات / رشته‌های مختلفی مانند فیبر کربن و فایبرگلاس در آنها جا داده شده است. هنوز تنوع دیگری از چاپ سه بعدی کامپوزیت وجود دارد که به طور فزاینده‌ای دارد محبوب می‌شود: فیبر پیوسته.

ریز ریز شده در مقابل پیوسته

در روش استاندارد تا پر شده از فیبر، رشته‌های فیبر به صورت بسیار کوتاه تکه تکه می‌شوند تا مواد قابل چاپ را بسازند. بارزترین اشکال این روش این است که همپوشانی کمی بین فیبرها وجود دارد و عملاً فیبری وجود ندارد که از لایه‌های مجاور رد شود. به این ترتیب، قطعات چاپ شده با مواد پر از فیبر معمولاً فقط به نحوی محدود نسبت به قطعات چاپی سه بعدی معمولی قوی‌تر یا سفت‌تر هستند.

چاپ سه بعدی فیبر پیوسته دقیقاً همان چیزی است که روی اسمش هست. به جای این که میلیون‌ها رشته فیبر نیم میلی متری در تار به هنگام ساخت آن جا سازی شود، از قرقره‌ای از فیبر استفاده می‌شود تا رشته‌هایی خیلی طولانی از فیبر در قسمتهایی که چاپ می شوند جا داده شود. چاپ سه بعدی فیبر پیوسته، استحکام و سفتی بیشتری را ایجاد می‌کند، زیرا به نحوی بهتر، از روند ساخت قطعات سنتی الیاف کربن، که در آن رشته‌های طولانی از فیبر روی یک رزین لایه لایه می‌شوند، تقلید می‌کند.

هزینه‌های فیبر کربنی مرسوم

قطعات فیبر کربنی مرسوم نه به دلیل هزینه مواد اولیه بلکه به دلیل هزینه تجهیزات مورد نیاز جهت حمل و نقل آنها و پردازش این مواد بسیار گران هستند. Pre-preg اصطلاحی است که در مورد کامپوزیتی از فیبر کربن و رزین اعمال می شود که هنوز مرطوب و برای شکل دادن آماده است. باید از لحظه تولید تا زمانی که مورد استفاده قرار می‌گیرد، در یخچال قرار داده شده و فریزر شود، و این به این معنی است که هزینه‌های اضافی لجستیکی زیادی برای آن وجود دارد. برای ساخت قطعات الیاف کربن، ابتدا باید قالب‌هایی ساخته شوند که البته رایگان نیستند. و پخت قطعات نهایی به اتوکلاوهایی احتیاج دارد که به اندازه خود قطعات باشند، و با توجه به این که فیبر کربن یک انتخاب محبوب برای ساخت هواپیما است، اتوکلاوها برای ساخت و بهره برداری به ویژه در این صنعت به طور قابل توجهی گران خواهند بود.

با چاپ سه بعدی فیبر پیوسته، تقریباً تمام این هزینه‌ها بدون آن که قدرت را کاهش دهند، از بین می‌روند. چندین شرکت وجود دارند که چاپ سه بعدی فیبر پیوسته را ارائه می‌دهند، اما ما در این جا به دنبال سه مارک مشهور هستیم.

Markforged دارای چندین ماشین است که می‌توانند الیاف پیوسته را بکشند. سیستمهای آنها برای قرار دادن مواد مختلف به یک ابزار جداگانه متکی هستند: یکی از ماتریس ترموپلاستیک دقیقاً مانند چاپگر سه بعدی معمولی اکسترود می‌کند و دیگری رشته‌هایی از فیبر را در مناطق انتخاب شده قرار می‌دهد تا مقاومت کششی را افزایش دهد. آنها می‌توانند با فیبر کربن، فایبرگلاس و kevlar کار کنند.

سیستم فیبر فلز دسک تاپ بسیار مشابه با همان روش راه حل Markforged عمل می‌کند با این تفاوت که فناوری فیبر قرار دادن میکرو خودکار (μAFP) آن از رول های نوار فیبر به جای استفاده از قرقره فیبر استفاده می‌کند. این ماده می‌تواند فیبر کربن را در نایلون، PEEK و PEKK جا سازی کند و نایلون نیز می‌تواند با فایبرگلاس جا سازی شود. آنها ادعا می‌کنند که قطعات آنها می‌تواند از فولاد محکمتر و از آلومینیوم سبک‌تر باشد.

Continuous Composites با محلول CF3D خود رویکرد متفاوتی را اتخاذ می‌کند. به جای استفاده از ترمو پلاستیک برای مواد سفت و سخت خود، از یک فوتو پلیمر استفاده می‌کند. سر ابزار رشته فیبر را با یک فوتو پلیمر که ته نشین می‌شود پوشش می‌دهد و سپس بلافاصله آن را با یک نور ماوراء بنفش قدرتمند درمان می‌کند. این امر به شما امکان می‌دهد تا هر خط منفرد را با فیبر جا سازی کنید، و نه فقط مناطقی را انتخاب کنید. چاپ سه بعدی فیبر پیوسته دقیقاً همان چیزی است که روی اسمش هست. به جای این که میلیون‌ها رشته فیبر نیم میلی متری در تار به هنگام ساخت آن جا سازی شود، از قرقره‌ای از فیبر استفاده می‌شود تا رشته‌هایی خیلی طولانی از فیبر در قسمتهایی که چاپ می شوند جا داده شود. چاپ سه بعدی فیبر پیوسته، استحکام و سفتی بیشتری را ایجاد می‌کند. همچنین این بدان معنی است که می‌تواند بدون نیاز به پشتیبانی بر شکاف‌های طولانی پل بزند. سیستم CF3D با الیاف ساختاری مانند کربن، شیشه و آرامید و همچنین الیاف کاربردی مانند الیاف نوری و فلزی سازگار است و استفاده انواع ترفندهای جذاب نظیر حسگرها و مدارهای تعبیه شده را مقدور می‌سازد.

در حالی که این سیستم‌ها بیشتر چاپگرهای سه بعدی رو میزی مقرون به صرفه نیستند، اما از نظر قابلیت دسترسی قابل دسترس‌تر از بیشتر پرینترهای سه بعدی فلزی و تجهیزات ساخت فیبر کربن معمولی هستند و استفاده از آنها به آسانی امکان پذیر است. به طور کلی انتخاب مواد برای این بخش با بخش مواد چاپ سه بعدی به رشد خود ادامه خواهد داد. پلیمرهای بیشتری برای ماتریس ایجاد می‌شوند و الیاف بیشتری برای مطابقت معرفی خواهند شد. تعجب نخواهم کرد اگر تاکنون دانشمندان موادی وجود داشته باشند که در حال توسعه فیبرهایی باشند که با گرم شدن یا در معرض جریان الکتریسیته قرار گرفتن منبسط یا منقبض می‌شوند و این باعث خوشحال شدن کسانی خواهد شد که روی روباتیک نرم و الکترونیک جا سازی شده کار می‌کنند.

همان طور که گفته شد پلاستیک‌های چاپ سه بعدی شده که با الیاف فیبر تقویت شده‌اند راهی مقرون به صرفه برای پرینت سه بعدی قطعات قوی و محکم که بسیار شبیه قطعات فلزی است، می‌باشد. به طور کلی این فرایند بسیار ارزان تر از چاپ سه بعدی فلز نظیر پخت انتخابی لیزر (SLS) یا لیزر انتخابی ذوب (SLM) است. اضافه کردن الیاف فیبر مقاومت بی سابقه‌ای را به روش مرسوم چاپ می افزاید.

شرکت Markforged که در ماساچوست مستقر است، تا به امروز جزو موفق ترین شرکت‌هایی است که از چنین فن آوری‌ای در پرینتر های سه بعدی استفاده کرده است. پرینتر های مدل یک و دوی این شرکت تحسین منتقدان را برانگیخته است. هر دو پرینتر به طور مؤثر با استفاده از آهن، فیبر کربن و دیگر مواد تقویت کننده در کنار پلاستیک قطعات محکمی را پرینت سه بعدی می‌کنند.

منبع: کامرون نارامور – 3D Printing