Versatilidad modular para piezas impresas con precisión

APS Tech Solutions es una división de Automatisierte Produktions Systeme GmbH en Höchst, Austria. Fundada en 1987, la empresa ofrece soluciones de ingeniería, mecánicas y robóticas para máquinas de corte y mecanizado por chorro de agua 3D utilizadas en los mercados de la automoción, la aviación y la mecánica.

"Hace tres años, queríamos tener una impresora 3D muy versátil, pero no pudimos encontrar nada que cumpliera con nuestros requisitos", dice Nicolai Wampl, desarrollo comercial de APS Tech Solutions. “Entonces, creamos nuestro propio sistema, el Wizard 480+, que lanzamos el año pasado. Puede imprimir con fibra continua, filamentos termoplásticos estándar, metal o cerámica ”.

El Wizard 480+ tiene un volumen de impresión de 400 milímetros de largo x 230 milímetros de ancho x 370 milímetros de alto y una cama de impresión que se puede calentar hasta 200 ° C. Las boquillas para la impresión de filamentos de fibra continua se pueden calentar hasta 500 ° C.

¿Realmente necesitamos otra impresora de escritorio para composites industriales? “Nuestro objetivo no era una impresora de escritorio para uso industrial, sino más bien una máquina industrial real”, dice Wampl. “Queríamos una impresora versátil sin restricciones pero con una configuración que no sea abrumadora. Por ejemplo, puede modificar una impresora de escritorio de bajo costo para que sea más versátil, pero requiere mucho conocimiento y tiempo. En el otro extremo hay una impresora industrial donde puede imprimir piezas de gran volumen en un puñado de materiales, pero si desea imprimir algo nuevo, se vuelve difícil. Queríamos imprimir piezas utilizando todos los materiales que hay en el mercado, pero en alta calidad ". Por ejemplo, la pieza de repuesto para una herramienta de estampado que se analiza a continuación requería una precisión de 0,02 milímetros.

“Las máquinas de corte y mecanizado por chorro de agua 3D con las que trabajamos deben estar fabricadas con precisión para funcionar correctamente”, explica Wampl. “Hemos incorporado este conocimiento al Wizard 480+ para aumentar la precisión de las piezas impresas. Otra diferencia es que tenemos un sistema de cambio de herramientas como en una máquina CNC, que nos permite utilizar varios tipos de materiales en una sola impresión. Por ejemplo, si un cliente desea utilizar dos tipos diferentes de fibras continuas en una sola impresión, es posible porque los cabezales de impresión son intercambiables. Las impresiones pueden utilizar plásticos de alto rendimiento como PEEK [polieteretercetona] y PEKK [polietercetonacetona], así como poliamida [PA] y filamentos FDM [modelado de deposición fundida] disponibles comercialmente. No todas las partes necesitan fibra continua. También tenemos un cabezal de impresión para piezas simples de cerámica y metal verde que utilizan acero o titanio, por ejemplo ”. Tenga en cuenta que las piezas de cerámica y metal deberían sinterizarse en un segundo paso y no incluirían plásticos debido a este posprocesamiento a alta temperatura.

Sistema abierto

“La mayoría de las empresas tienen dos máquinas separadas para metales y no metales”, señala Wampl. “Pero para los nuevos desarrollos, no querrá tener que comprar una impresora nueva cada vez que pruebe un material nuevo. No queríamos un sistema cerrado y restringido, sino un sistema modular y flexible, con el que se pueden mejorar o cambiar las piezas impresas ". Por ejemplo, el cliente puede querer imprimir con fibra continua y poliuretano termoplástico (TPU). “Este es un material difícil porque su viscosidad cae tan rápidamente que es difícil mantener la consistencia durante la impresión. Pero queríamos una impresora que pudiera adaptarse a esto ".

El Wizard 480+ está diseñado para imprimir con cualquier filamento continuo, incluyendo fibra de vidrio o alambre de cobre. “Nuestro filamento de fibra continua estándar es fibra de carbono / PA 1K, pero también hemos usado PEEK y PLA [ácido poliláctico] y podemos llegar a fibra de carbono 3K”, dice Wampl. APS Tech Solutions desea suministrar filamentos continuos al mercado, pero su impresora no se limita a estos.

El Wizard 480+ también está abierto en su software. “Siempre hemos necesitado algo de ingeniería especial”, dice Wampl, “y es por eso que queríamos tener la mayor cantidad de control. Con muchas impresoras, el software lo restringe un poco. Pero con nuestro software, puede colocar las fibras exactamente donde las desee y no está restringido por ningún algoritmo. Aunque puede usar un algoritmo para generar dónde deberían estar las fibras, queríamos que los ingenieros controlaran cómo colocar las fibras porque saben cómo se va a usar la pieza y qué tipo de fuerzas terminan dónde ”.

Dicho esto, el sistema es relativamente fácil de usar, dice Wampl. “Por ejemplo, para imprimir con dos materiales diferentes, crea dos partes diferentes en CAD. Luego, elige qué parte se imprime en qué material utilizando Simplify3D [Cincinnati, Ohio, EE. UU.], Un software de corte utilizado para muchas impresoras 3D industriales. Luego tenemos un postprocesador que crea el código G para imprimir. Simplify3D permite configurar todos los parámetros de impresión, como la altura y la densidad de la capa de relleno. Para el posproceso, simplemente arrastre y suelte el archivo, y eso se ajustará a nuestra máquina porque tenemos algunas características, como el cambiador de herramientas y el uso de filamentos de fibra continua, que no son muy comunes ”.

“Realmente solo tenemos una restricción”, dice Wampl, “que es la longitud del filamento impreso. Tenemos una longitud mínima de 20 milímetros. Si un ingeniero hace una longitud impresa en particular menor de 20 milímetros, entonces nos encontramos con complicaciones y el posproceso le dice que no es posible ”.

Calidad esperada, entregada

El primer cliente de Wizard 480+ fue el fabricante de herramientas de estampado de alto rendimiento Stepper Fritz GmbH &Co. KG. (Pforzheim, Alemania). “Necesitaban una pieza de repuesto para una de sus herramientas y nos preguntaron si podíamos imprimirla”, dice Wampl. “Habían tenido problemas para encontrar una impresora 3D para el trabajo debido a la compleja geometría y combinación de materiales requeridos, incluida la fibra de carbono continua, la matriz termoplástica y los soportes solubles en agua”. La versión anterior de esta pieza se fabricó con aluminio fresado con CNC. “Imprimimos la pieza sin ningún cambio en la forma y también integramos hilos para inserciones”, señala Wampl. "Usamos un filamento de PA relleno de fibra de carbono cortado disponible en el mercado para la capa exterior y nuestro filamento continuo de fibra de carbono / PA para el interior".

Stepper evaluó la pieza, determinó que cumplía con la precisión requerida y luego ordenó nuestra primera máquina, dice Wampl. "Lo han estado ejecutando desde julio de 2020 sin ningún problema y nos dicen que todavía produce piezas con esta precisión".

La alta calidad también es una característica de los compuestos reforzados con fibra tal como se imprimen, como se muestra en la micrografía de la imagen de apertura, en la parte superior. Con cinco capas de filamento PEEK continuo reforzado con fibra de carbono 1K de APS Tech Solutions, la pieza se cortó y se micrografió inmediatamente después de la impresión, sin más consolidación ni posprocesamiento. El material también se probó en la FH Vorarlberg (Universidad de Ciencias Aplicadas en Vorarlberg, Alemania) y se micrografió en la Universidad de Bayreuth (Bayreuth, Alemania). Los resultados muestran una resistencia a la tracción de 1.060 megapascales y una resistencia a la flexión de 750 megpascales. "Sin embargo, esta fue una prueba muy preliminar y ahora estamos preparando más pruebas estandarizadas, durante las cuales nuestros técnicos creen que lograremos propiedades aún más altas", dice Wampl.

“Nuestras ventas, por ahora, se dirigen principalmente a universidades y empresas como Stepper que no están satisfechas con lo que hay en el mercado”, dice Wampl. “Hay impresoras 3D de fibra continua con buena tecnología, pero la mayoría están restringidas en materiales o software. Nuestro objetivo es servir a los clientes que necesitan piezas de la más alta calidad, así como flexibilidad, como empresas de ingeniería mecánica y especializadas, así como aquellas que trabajan en ciencia y desarrollo de materiales ”.

La compañía continúa trabajando en sus propios nuevos desarrollos, como la adaptación de su sistema para un brazo robótico de seis ejes y materiales para aplicaciones espaciales. "Creemos que los compuestos impresos en 3D tienen una aplicación mucho más amplia de lo que se ha visto hasta ahora, pero estamos ampliando esos horizontes y permitiendo nuevas posibilidades para las piezas industriales".