Im Herbst 2023 wurde der FX10 als Composite-Drucker der nächsten Generation auf den Markt gebracht. Es haben Modularität versprochen, aber nicht gesagt, was Modularität bedeutet.

Jetzt können wir das klarstellen. Die Modularität, die wir versprochen haben, war die Metall-FFF-Fähigkeit, die den FX10 zum ersten Industriedrucker macht, der Verbundwerkstoffe und Metallteile drucken kann. Der FX10 wurde von Grund auf so konzipiert, dass er den Kunden diese doppelte Fähigkeit bietet. In diesem Blogbeitrag werden wir darüber sprechen, was nötig war, um dieses Ziel zu erreichen, und was dies für Sie als potenziellen Anwender bedeutet.

Bevor wir über FX10 selbst sprechen, sollten wir die beiden komplementären Verfahren erläutern, die es zum Drucken von Metall und Verbundwerkstoffen kombiniert: FFF+CFR und Metall-FFF.

Die Verbundwerkstoff-Drucker von Markforged verwenden ein duales Verfahren: Fused Filament Fabrication (FFF, auch bekannt als FDM) und Continuous Fiber Reinforcement (CFR). FFF ist ein branchenübliches 3D-Druckverfahren, bei dem Filamente auf Thermoplastbasis erhitzt und in einzelnen Schichten durch eine Düse extrudiert werden, um ein Teil herzustellen. CFR ist ein sekundärer Prozess, der es FFF-3D-Druckern ermöglicht, Teile mit Endlosfasern zu verstärken. CFR verwendet ein zweites Extrusionssystem für langsträhnige Endlosfasern. Die Endlosfasern werden schichtweise aufgetragen und ersetzen die FFF-Füllung. Die daraus entstehenden Teile sind deutlich stärker (bis zu 10 Mal stärker als jedes FFF-Material) und können Aluminiumteile in der Anwendung ersetzen.

Markforged hat ein Verfahren entwickelt, das als Metal FFF bekannt ist und mit dem sich Metallteile nahezu in Nettoform drucken lassen, ohne dass Metallpulver zum Einsatz kommt. Metall-FFF ist ein dreistufiger Prozess, der im Folgenden beschrieben wird.

1. Drucken: Ein spezieller FFF-Drucker druckt ein Filament aus polymerisiertem Metallpulver (ähnlich wie MIM-Rohmaterial). Während des Druckvorgangs wird das Polymer geschmolzen und extrudiert, wobei das Metallpulver mitgeführt wird. Die Teile werden mit Flößen und Stützen aus demselben Material gedruckt, die bei Bedarf durch ein keramisches Trennmaterial, das durch eine zweite Düse gedruckt wird, vom Teil getrennt werden. Die resultierenden „Grünteile“ werden um ca. 20 % vergrößert, um die Schrumpfung im weiteren Verlauf des Prozesses zu berücksichtigen.
2. Entbinden: Die Grünteile werden in ein Entbindungslösungsmittel getaucht, das das polymere Bindematerial auflöst. Nach dem Entbindern werden die Teile als „braune Teile“ bezeichnet.
3. Sintern: Braune Teile werden in einem speziellen Ofen gesintert, wodurch sie zu Vollmetallteilen werden. Während des Drucks schrumpft das Teil um etwa 20 %.
4.  

Mit Metal FFF gedruckte Metallteile sind nahezu formgenau und haben in der Regel eine offenzellige Füllung.

Um einen Metall- und Verbundwerkstoff-FFF-Drucker zu bauen, mussten unsere Ingenieure einen existenziellen Stolperstein aus dem Weg räumen – die grundlegende Inkompatibilität zwischen Polymerfilamenten und frühen Metallfilamenten. Polymerfilamente sind einfach, haben aber eine Anforderung: geschlossene Materialwege, um die Feuchtigkeitseinwirkung zu begrenzen. Frühe Metallfilamente hatten genau das gegenteilige Problem: Sie waren so spröde, dass sie eine spezielle Behandlung brauchten, um überhaupt drucken zu können, einschließlich eines nicht abgedichteten Schlauchs zwischen Spule und Druckkopf. Dieses Problem machte die Entwicklung eines dualfähigen Geräts nahezu unmöglich.

Um diese Inkompatibilität zu lösen, gingen wir mit den Metall-FFF-Filamenten zurück ans Reißbrett. Anstelle von spröden Filamenten, die dem Ausgangsmaterial für den Metall-Spritzguss sehr ähnlich sind, haben wir unser eigenes Polymer-Bindemittel formuliert, das für den 3D-Druck optimiert ist. Die daraus resultierenden „flexiblen“ Filamente waren einfacher zu handhaben, verhinderten Düsenstaus und konnten vor allem durch Zuführungsrohre geführt werden, ohne zu brechen. Unser erstes flexibles Filament war Copper (veröffentlicht im Jahr 2020). In den letzten zwei Jahren haben wir drei unserer beliebtesten Stähle (17-4PH v2, H13 v2 und D2 v2) neu aufgelegt. 316L wird im nächsten Jahr auf den Markt kommen, sobald die FX10-Metallfunktion online ist.

Flexible Metallfilamente waren die wichtigste technische Neuerung des FX10.

 Obwohl flexible Filamente das grundlegende Problem beim Bau eines dualen Systems gelöst haben, mussten unsere Ingenieure dennoch einen Weg finden, ein zuverlässiges System für den Druck von zwei sehr unterschiedlichen Medien zu bauen. Zu diesem Zweck haben sie die modularste Maschine gebaut, die wir je entwickelt haben.

Bei der Entwicklung von FX10 wurde berücksichtigt, dass Metall- und Verbundwerkstofffilamente völlig unterschiedliche Hardware benötigen, um das Material von der Spule zum Teil zu bringen. Um dies zu ermöglichen, haben wir die Schlüsselelemente der Druckmaschine austauschbar gemacht (siehe unten).

1. Druckkopf: Composite und Metall haben jeweils einen eigenen Druckkopf – beide mit zwei Düsen. Der Composite-Druckkopf hat eine Kunststoffdüse und eine Faserdüse, während der Metalldruckkopf eine Düse für Metallfilament und eine Düse für keramisches Trennmaterial hat. Der Druckkopf kann mit nur zwei Schrauben entfernt und ausgetauscht werden.
2. Material-Führungsblock: Der Materialführungsblock befindet sich auf der Rückseite der Maschine und nimmt vier Zuführungsrohre auf (eines von jedem Spulenfach). Beim Composite-Block werden diese Rohre in einen einzigen Auslass geleitet, um den Druckkopf zu versorgen. Beim Metallblock werden sie zu zwei Auslässen geführt: einem für Metallfilament und einem für keramisches Trennmaterial. Der Block kann durch Entfernen einer einzigen Schraube ausgetauscht werden.
3. Materialschläuche: Spezielle Materialschläuche sorgen dafür, dass keine Kreuzkontamination zwischen Metall- und Verbundwerkstofffilamenten auftritt.

Der FX10-Druckkopf kann durch das Entfernen von nur zwei Schrauben ausgetauscht werden.

Zusätzlich zu den drei Komponenten des Druckwerks müssen noch einige Zusatzteile ausgetauscht werden, darunter der Druckbogen, der Spülbehälter und der Spulenhalter. Die vollständige Umstellung nimmt etwa 15 Minuten in Anspruch, danach führt die Maschine eine Kalibrierungsroutine durch, die etwa eine Stunde dauert.

Mit dem FX10 können Sie in weniger als zwei Stunden vollständig zwischen Metall- und Verbundwerkstoffdruck umstellen. Die gedruckten Metallteile müssen noch gewaschen und gesintert werden, wobei dieselben Zusatzmaschinen verwendet werden, die Markforged anbietet.

FX10 ist in zwei Konfigurationen erhältlich: Komposit und Metall + Komposit. Die Composite-Konfiguration wird mit dem Drucker geliefert, während die Metal + Composite-Konfiguration mit dem Drucker (in der Composite-Konfiguration, dem FX10 Metal Kit, dem Wash-1 und einem Markforged-Sinterofen) geliefert wird. Ein Benutzer, der nur einen FX10 mit Verbundwerkstoff erwirbt, kann durch den Kauf des Metall-Kits, des Wash-1 und eines Sinterofens die Metallfähigkeit erwerben. Ein Kunde mit bestehenden Markforged Metall-FFF-Fähigkeiten (über das Metal X) kann einen FX10 mit einem Metal Kit erwerben, um seine Metallfähigkeiten zu erweitern.

Der FX10 ist mit allen unseren bestehenden flexiblen Metallfilamenten kompatibel: 17-4PH v2, Kupfer, H13 v2 und D2 v2. Zusätzlich zu den bereits vorhandenen Materialien bringen wir ein neues Filament exklusiv für den FX10 heraus: 316L. Dieser hoch korrosionsbeständige Edelstahl wird in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, der Schifffahrt und anderen Branchen eingesetzt.

Als erster FFF-Drucker, der sowohl Verbundwerkstoffe als auch Metall drucken kann, ist der FX10 das erste Gerät, das das gesamte Spektrum an Fertigungsanwendungen abdecken kann. Metall- und Verbundwerkstoffdruck ergänzen sich hervorragend und spielen ihre Stärken gegenseitig aus.

Komposit zeichnet sich aus durch

1. Große Teile: Bei der Metall-FFF sind die Abmessungen der Teile durch den Sinterprozess begrenzt. Wenn ein Teil größer als 15 cm ist, ist der Verbundstoffdruck in der Regel die bessere Lösung.
2. Einhaltung von Vorgaben: Verbundwerkstoff- und Kunststoffteile können so gestaltet werden, dass sie unter Belastung nachgeben oder sich biegen, was für viele Vorrichtungen ideal ist.
3. Nicht-schmerzende Oberflächen: Verbundwerkstoffe sind berührungsfrei, was bei der Handhabung empfindlicher Materialien unbedingt erforderlich ist.
4. Kostengünstig und schnell: Im Vergleich zum 3-stufigen FFF-Verfahren für Metall können Verbundwerkstoffe schneller und kostengünstiger als Metallteile hergestellt werden.
5. Engere Toleranzen: Während Metall nachbearbeitet werden kann, bieten Maschinen für Verbundwerkstoffe beim Druck weitaus engere Toleranzen als Metall.

Metall zeichnet sich aus durch

1. Festigkeit und Härte: Verbundwerkstoffe sind zwar stabil, aber rostfreie Stähle und Werkzeugstähle bieten eine Festigkeit, die nur mit Metall erreicht werden kann. Ebenso sind Metalle um Größenordnungen härter als gedruckte Verbundwerkstoffe, und einige können noch weiter gehärtet werden.
2. Hitzebeständigkeit: Für Teile, die in Umgebungen über 200 ºC eingesetzt werden, ist Metall die einzige Option.
3. Abnutzungsbeständigkeit: Metall ist nicht nur hart (und härtbar), sondern bietet auch eine weitaus bessere Abriebfestigkeit für Teile, die wiederholten Belastungen ausgesetzt sind.
4. Bearbeitbarkeit: Metallteile können mit engen Toleranzen oder spiegelnden Oberflächen bearbeitet werden.
5. Wärme- und elektrische Leitfähigkeit: Kupfer bietet eine einzigartige Wärme- und elektrische Leitfähigkeit für Teile mit besonderen Anforderungen.

Verbundwerkstoffe lösen viele Probleme, aber manchmal braucht man einfach nur Metall.

Diese sich in hohem Maße ergänzenden Stärken kommen in dreierlei Hinsicht zum Tragen: gemeinsame Anwendungen, einzigartige Anwendungen und Hybridanwendungen.

Bei einigen Anwendungen, wie z. B. End-of-Arm-Werkzeugen, zeichnen sich Verbundwerkstoffe und Metall aus unterschiedlichen Gründen aus. EOAT aus Verbundwerkstoffen können berührungsfreie Greifer und Vakuumwerkzeuge sein, während EOAT aus Metall typischerweise Produktionsgreifer sind, die in der Großserienfertigung eingesetzt werden. Wenn beide Technologien verfügbar sind, erweitert sich der Anwendungsbereich auf eine größere Vielfalt von Teilen.

In anderen Fällen ermöglicht eine bestimmte Eigenschaft von Verbundwerkstoffen oder Metall dem Ingenieur den Zugang zu einer bestimmten Anwendung. Ein gutes Beispiel für Verbundwerkstoffe sind Hilfsmittel für die Fabrik: die zahlreichen Halterungen, Befestigungen, Führungen und Vorrichtungen, die für den effektiven Betrieb einer Produktionslinie erforderlich sind. Diese Teile sind unverzichtbar, profitieren aber von den niedrigen Kosten und der Geschwindigkeit des Verbundstoffdrucks. Einfach gesagt, sie müssen nicht aus Metall sein. Auf der Metallseite können Hochtemperatur-Werkzeuge wie Lötvorrichtungen nur überleben, wenn sie aus Metall gedruckt werden.

Hybridanwendungen schließlich ermöglichen es den Ingenieuren, die sich ergänzenden Vorteile von Metall und Verbundwerkstoffen in einer einzigen Baugruppe zu nutzen und so hoch optimierte Werkzeuge mit verbesserter Leistung zu schaffen. Ein perfektes Beispiel hierfür sind End-of-Arm-Werkzeuge mit Werkzeugkörpern aus Verbundwerkstoffen und Verschleißpolstern aus Metall. Bei diesen Werkzeugen sind die Werkzeugkörper aus Verbundwerkstoffen kostengünstig, stabil und schnell zu produzieren, während die Verschleißpolster aus Metall Härte und Abriebfestigkeit bieten. Durch die Verwendung beider Materialien kann ein Werkzeug für eine bestimmte Anwendung in einer Weise angepasst werden, die mit keiner anderen Fertigungstechnologie möglich ist.

Die FX10 war bereits als reine Verbundwerkstoffmaschine eine hervorragende, klassenführende Maschine. Durch die Hinzufügung von Metall wird sie zu einem wirklich transformativen Fertigungsgerät: die erste FFF-Maschine, die glaubhaft Metall- und Verbundwerkstoffteile in der Fabrikhalle herstellen kann. Wir sind davon überzeugt, dass dies das vielseitigste Werkzeug für Ihre Fabrikhalle ist. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, sprechen Sie mit einem unserer 3D-Druck-Experten.