Desktop Metal lanza impresora 3D de escritorio de fibra continua para ingenieros

El nuevo sistema de impresión 3D de escritorio de fibra continua de Desktop Metal. Fuente: Desktop Metal

Desktop Metal (Burlington, Mass., EE. UU.), una empresa especializada en impresión 3D de metal para desarrollo de productos y producción en masa, ha anunciado que ampliará su tecnología para incluir a la comunidad de compuestos. Fundada en 2015 con la misión de "hacer la impresión 3D accesible para todos los ingenieros, diseñadores y fabricantes", la empresa ha llevado al mercado dos tecnologías de impresión 3D: su Studio System de impresión 3D de metal apto para oficinas y su Production System de impresora 3D de metal de alto volumen, capaz de velocidades de impresión de hasta 12.000 cm³/hora. Ahora, la empresa presenta lo que dice ser la primera impresora de escritorio de fibra continua verdaderamente funcional del mundo.

"Ahora estamos ampliando nuestra oferta para llevar la impresión 3D de fibra continua al escritorio de cada ingeniero y diseñador", afirma Ric Fulop, CEO y fundador de Desktop Metal.

Los avances recientes en fabricación aditiva han visto su uso volverse cada vez más generalizado para prototipado, así como para utillajes, fijaciones y herramientas. Desktop Metal predice que la tecnología experimentará un crecimiento de 10 a 50 veces en la próxima década como medio para fabricar piezas de uso final. La empresa reconoció una oportunidad en el mercado para llevar la impresión 3D a un área desatendida: la automatización de la fabricación de piezas compuestas pequeñas. Iniciando su entrada en el sector de compuestos, Desktop Metal adquirió recientemente Make Composites Inc. (Boston, Mass., EE. UU.), una startup fundada por Konstantine Fetfatsidis. Fetfatsidis fue nombrado recientemente Profesional Joven del Año 2019 por SAMPE y se desempeñó anteriormente como líder de I+D de fabricación avanzada en Aurora Flight Sciences (Manassas, Va., EE. UU.), una empresa de Boeing.

Fetfatsidis, ahora vicepresidente de productos compuestos de Desktop Metal, explica su inspiración para fundar Make. "Basado en mi experiencia en I+D de compuestos y también en desarrollo de negocio de aeroestructuras tratando con clientes, pude ver y trabajar con lo que era accesible y las diversas tecnologías de fabricación disponibles, y francamente me frustré un poco con el layup manual sigue siendo el estado del arte, particularmente para las piezas más pequeñas", dice.

Argumenta que para piezas pequeñas —menos de 9 kg— los fabricantes aún dependen principalmente del layup manual. Estos procesos intensivos en mano de obra requieren técnicos, utillajes costosos y mucho tiempo, todo lo cual aumenta el coste global de fabricación de una pieza.

"A lo largo de mi carrera ha habido tantas aplicaciones en las que nos habría encantado usar fibra de carbono —especialmente en Aurora mientras trabajábamos en conceptos eVTOL— por sus propiedades de ligereza, rigidez y resistencia, pero los costes simplemente no cuadraban", dice Fetfatsidis. "Pensé: tiene que haber una forma mejor de automatizar, consolidar el número de pasos de proceso involucrados en la fabricación tradicional, reducir el utillaje y reducir los plazos de entrega —todos los costes asociados".

Si bien se han hecho intentos para automatizar la fabricación de piezas compuestas pequeñas, las propiedades rara vez alcanzan la calidad a la que los usuarios industriales están acostumbrados con el layup manual, y ciertamente no en un proceso de escritorio. En la mayoría de la impresión 3D de compuestos actual, las resinas a menudo no son las mismas que las utilizadas en procesos tradicionales, y muchas impresoras usan materiales propietarios que no ofrecen el mismo alto rendimiento que los materiales calificados, lo que conduce a no uniformidad y variabilidad en la calidad. Las piezas resultantes suelen tener menor contenido de fibra y mayor porosidad que las fabricadas a mano.

"Realmente no ha habido una solución integral para hacer esto a nivel de escritorio con los materiales que la gente está acostumbrada a usar, hasta ahora", dice Fulop. "Estamos combinando los beneficios de la impresión 3D con materiales de fibra continua calificados para aplicaciones de alto rendimiento."

Utillaje CNC: Al imprimir en 3D este utillaje CNC como un compuesto de fibra continua en el sistema Fiber, la pieza puede hacerse extremadamente rígida, permitiendo que los cilindros de cierre se mantengan firmemente en su lugar mientras se realizan las operaciones de mecanizado. La cinta de fibra de carbono puede colocarse selectivamente para añadir rigidez en secciones del utillaje que experimentan la mayor carga. Los utillajes de mecanizado a menudo necesitan soportar temperaturas extremas y el uso de PEEK reforzado con fibra de carbono garantiza estabilidad a altas temperaturas. Al imprimir en 3D en el nuevo sistema Fiber, los ingenieros de talleres de mecanizado podrán usar un diseño de utillaje optimizado que de otro modo habría sido demasiado costoso y lento de mecanizar. Fuente: Desktop Metal

Basado en cintas

La nueva impresora de escritorio de Desktop Metal adopta tecnología de colocación automática de fibra (AFP) para producir piezas compuestas termoplásticas reforzadas con fibra de alta calidad. La tecnología aprovecha las mismas líneas de fabricación que producen cintas prepreg comerciales, aprovechando así una cadena de suministro existente y aprovechando el crecimiento que ya está ocurriendo en el mercado de cintas unidireccionales (UD). En esencia, la tecnología toma la AFP y la reduce para una impresora de escritorio. De hecho, la empresa derivó su nombre original del sistema Micro AFP Kinematic Extrusion (Make).

La impresora, a la que la empresa llama Fiber, está diseñada como un sistema modular de cambio de herramientas para uso en entornos de oficina o planta de producción y es capaz de suministrar utillajes de fabricación, mordazas, herramientas y fijaciones de grado industrial, así como piezas de uso final. El operador puede usar un cabezal Micro AFP para depositar material y luego aparcarlo y cambiar a un cabezal de fabricación por filamento fundido (FFF) según sea necesario.

"Por primera vez, las impresoras Fiber combinan las propiedades de materiales de fibra continua AFP de alto rendimiento con la asequibilidad y velocidad de una impresora 3D de escritorio", dice Fulop.

La tecnología utiliza las mismas cintas UD calificadas para aplicaciones de alto rendimiento. Si bien la impresora es capaz de procesar cintas UD con una amplia variedad de sistemas de fibra y matriz termoplástica, los materiales disponibles inicialmente para el sistema incluirán poliamida 6 (PA6) con refuerzos de fibra de carbono y fibra de vidrio, así como polietereetercetona (PEEK) y polietercetoncetona (PEKK) con refuerzo de fibra de carbono. Las cintas, ofrecidas en formato de 3 milímetros de ancho, suelen presentar fibras de 12K y vienen enrolladas en carretes propietarios. Un solo tow de 3 milímetros de ancho se alimenta a través del cabezal hasta que llega a la zona de nip, donde un calentador sin contacto lleva la temperatura del termoplástico por encima de su punto de fusión, y un rodillo de compactación aplica presión para la consolidación de la cinta entrante sobre el sustrato inferior. Un cortador en el cabezal corta la cinta al final de cada pasada. Según Fetfatsidis, las cintas ofrecen una solución que es de mayor calidad pero más de 10 veces menos costosa por litro que un carrete de filamento de 1K tow utilizado en algunas impresoras 3D basadas en extrusión que usan fibra continua. Además, la mayor calidad de las cintas junto con la capacidad de aplicar presión a la pieza a través del proceso AFP se traduce en mayor resistencia.

"Tenemos cintas de muy alta calidad que se usan en procesos AFP/ATL que tienen una carga de volumen de fibra muy alta —60% de fibra de carbono— y las combinamos con matriz PEEK o PEKK de alta temperatura", dice Fetfatsidis.

Soporte de cámara. El sistema Fiber permite fabricar piezas, como este soporte de cámara, más rígidas y ligeras que si se imprimieran con otros materiales. El tiempo de impresión rápido y los bajos costes de material permiten al diseñador iterar rápidamente en el diseño para lograr una pieza óptima. Fuente: Desktop Metal

Las piezas creadas con el sistema Fiber se dice que son más fuertes que el acero, más ligeras que el aluminio y pueden imprimirse en el escritorio. Fiber tiene un volumen de construcción de 320 x 240 x 270 milímetros (12,6 x 9,4 x 10,6 pulgadas). Los beneficios incluyen refuerzo de fibra continua en toda la pieza y muy poca porosidad. Fetfatsidis dice que las piezas creadas con cintas PA6 pueden tener menos del 5% de porosidad y las cintas PEEK/PEKK pueden producir piezas con menos del 1% de porosidad. El operador tiene la capacidad de orientar los tows para lograr formas complejas o condiciones de carga particulares. Y como las resinas son termoplásticas, se elimina la necesidad de un curado en autoclave, así como la necesidad de almacenar el material en congelador.

"Esto es muy mucho el primer producto en el ámbito de la impresión 3D que combina fibra de carbono continua con PEEK y PEKK en un escritorio", dice Fulop.

Soporte de carga de cubierta. Los soportes de carga de cubierta se utilizan para localizar componentes de moldeo por inyección de metal (MIM) para que un efector final robótico pueda recoger una pieza antes de que se mecanicen las dimensiones críticas. Este utillaje experimenta un desgaste considerable ya que se cicla constantemente dentro y fuera del utillaje. La impresión 3D del soporte de carga de cubierta en el sistema Fiber permite a los ingenieros de talleres de mecanizado reducir el plazo de fabricación del utillaje de semanas a horas —mientras reducen el coste de fabricación en un 95%. Fuente: Desktop Metal

Accesible para todos

Si bien la solución de Desktop Metal presume varios beneficios, incluida la capacidad de crear piezas de uso final y el uso de termoplásticos, arguiblemente uno de los aspectos más emocionantes del sistema Fiber es su asequibilidad. La mayoría de los sistemas que usan cintas termoplásticas de fibra continua para la fabricación automatizada de piezas compuestas son sistemas de un millón de dólares. El sistema Fiber de Desktop Metal está disponible en dos modelos a través de un servicio de suscripción. Fiber HT está diseñado para producir piezas con compuestos continuos con <1% de porosidad y hasta 60% de carga de fibra continua con matriz avanzada, incluyendo PEEK y PEKK. Puede fabricar piezas retardantes de llama UL 94-V0 para soportar temperaturas altas hasta 250 °C, además de piezas conformes ESD. El modelo Fiber HT comienza a un precio introductorio de 5.495 dólares al año. Mientras tanto, Fiber LT comienza en 3.495 dólares al año, ofreciendo una forma asequible de producir piezas de alta resistencia conformes ESD, no marcantes, usando fibra continua con <5% de porosidad con termoplásticos PA6.

Efector final ESD. Los efectores finales se utilizan durante el proceso de fabricación de placas de circuito impreso (PCB). Esta pieza se fabricó con PA6 reforzado con fibra de carbono seguro para descarga electrostática (ESD) del sistema Fiber, para ayudar a proteger los PCB de la descarga electrostática dañina durante el proceso de ensamblaje. Impreso como un compuesto de fibra de carbono continua, los efectores finales son extremadamente rígidos, ligeros y capaces de soportar la carga del proceso de ensamblaje del PCB. Fuente: Desktop Metal

"Queremos que la gente pueda comprar el sistema, tenerlo en su escritorio en casa u oficina y fabricar piezas de PEEK con fibra continua", dice Fetfatsidis.

"Por unos pocos miles de dólares puedes empezar a fabricar piezas compuestas de alto rendimiento hechas con la misma tecnología de cintas que ahora se usa en piezas fabricadas con AFP de muy alta gama", añade Fulop.

A medida que el papel de la impresión 3D en la fabricación continúa creciendo, los diseñadores e ingenieros necesitan soluciones que permitan que una amplia gama de materiales sean accesibles. El sistema Fiber es un gran paso adelante para poner materiales compuestos de alto rendimiento al alcance de cualquiera que quiera aprovechar la ligereza, resistencia y rigidez que ofrecen los compuestos. Desktop Metal mostrará su sistema de impresión 3D de escritorio de fibra continua Fiber en la exposición y conferencia de fabricación aditiva Formnext 2019, del 19 al 22 de noviembre en Fráncfort, Alemania.