Desktop Metal Lança Impressora 3D Desktop de Fibra Contínua para Engenheiros

Novo sistema de impressão 3D desktop de fibra contínua da Desktop Metal. Fonte: Desktop Metal

A Desktop Metal (Burlington, Mass., EUA), empresa especializada em impressão 3D de metal para desenvolvimento de produtos e produção em massa, anunciou a expansão de sua tecnologia para incluir a comunidade de compósitos. Fundada em 2015 com a missão de "tornar a impressão 3D acessível para todos engenheiros, designers e fabricantes", a empresa já trouxe duas tecnologias de impressão 3D ao mercado — seu Studio System de impressão 3D de metal para escritório e seu Production System de impressão 3D de metal de alto volume, capaz de velocidades de impressão de até 12.000 cm³/hora. Agora, a empresa apresenta o que afirma ser a primeira impressora desktop de fibra contínua verdadeira do mundo.

"Agora estamos expandindo nossa oferta para levar a impressão 3D de fibra contínua para a mesa de todo engenheiro e designer", diz Ric Fulop, CEO e fundador da Desktop Metal.

Avanços recentes na manufatura aditiva têm visto seu uso tornar-se cada vez mais difundido para prototipagem, bem como para gabaritos, dispositivos e ferramentas. A Desktop Metal prevê que a tecnologia experimentará crescimento de 10 a 50 vezes na próxima década como meio para fabricação de peças de uso final. A empresa reconheceu uma oportunidade no mercado para trazer a impressão 3D para uma área subatendida — a automação da fabricação de pequenas peças compósitas. Iniciando sua entrada no setor de compósitos, a Desktop Metal adquiriu recentemente a Make Composites Inc. (Boston, Mass., EUA), uma startup fundada por Konstantine Fetfatsidis. Fetfatsidis foi recentemente nomeado Jovem Profissional do Ano 2019 pela SAMPE e atuou anteriormente como líder de P&D de manufatura avançada na Aurora Flight Sciences (Manassas, Va., EUA), uma empresa da Boeing.

Fetfatsidis, agora vice-presidente de produtos compósitos da Desktop Metal, explica sua inspiração para fundar a Make. "Com base na minha experiência em P&D de compósitos e também em desenvolvimento de negócios de aeroestruturas lidando com clientes, pude ver e trabalhar com o que era acessível e as várias tecnologias de fabricação disponíveis, e fiquei um pouco frustrado com o hand layup ainda sendo o estado da arte, particularmente para peças menores", diz ele.

Ele argumenta que para peças pequenas — menos de 9 kg — os fabricantes ainda dependem principalmente do hand layup. Tais processos intensivos em mão de obra requerem técnicos, ferramentas caras e muito tempo, tudo o que aumenta o custo geral de fabricação de uma peça.

"Ao longo da minha carreira, houve tantas aplicações onde adoraríamos usar fibra de carbono — particularmente na Aurora enquanto trabalhávamos em conceitos de eVTOL — por suas propriedades de leveza, rigidez e resistência, mas os custos simplesmente não fechavam", diz Fetfatsidis. "Pensei: tem que haver uma maneira melhor de automatizar, consolidar o número de etapas de processo envolvidas na fabricação tradicional, reduzir ferramentas e reduzir prazos de entrega — todos os custos associados a isso."

Embora tenham sido feitas tentativas para automatizar a fabricação de pequenas peças compósitas, as propriedades raramente atingem a qualidade a que usuários industriais estão acostumados com hand layup, e certamente não em um processo desktop. Na maioria da impressão 3D de compósitos hoje, as resinas muitas vezes não são as mesmas usadas em processos tradicionais, e muitas impressoras usam materiais proprietários que não oferecem o mesmo alto desempenho de materiais qualificados, levando a não uniformidade e variabilidade na qualidade. As peças resultantes tipicamente têm menor teor de fibra e maior porosidade do que peças fabricadas à mão.

"Realmente não havia solução ponta a ponta para fazer isso em nível desktop com os materiais que as pessoas estão acostumadas a usar, até agora", diz Fulop. "Estamos combinando os benefícios da impressão 3D com materiais de fibra contínua qualificados para aplicações de alto desempenho."

Gabarito CNC: Ao imprimir este gabarito CNC como compósito de fibra contínua no sistema Fiber, a peça pode ser feita extremamente rígida, permitindo que os canos de fechadura sejam mantidos firmemente no lugar enquanto as operações de usinagem são realizadas. A fita de fibra de carbono pode ser depositada seletivamente para adicionar rigidez em seções do gabarito que experimentam as maiores cargas. Gabaritos de usinagem muitas vezes precisam suportar temperaturas extremas e o uso de PEEK reforçado com fibra de carbono garante estabilidade em altas temperaturas. Ao imprimir 3D no novo sistema Fiber, engenheiros de usinagem poderão usar um design de gabarito otimizado que de outra forma seria muito demorado e caro para usinar. Fonte: Desktop Metal

Baseado em fitas

A nova impressora desktop da Desktop Metal adota tecnologia de colocação automatizada de fibras (AFP) para produzir peças compósitas termoplásticas reforçadas com fibra de alta qualidade. A tecnologia aproveita as mesmas linhas de fabricação que produzem fitas pré-impregnadas comerciais, aproveitando assim uma cadeia de suprimentos existente e tirando proveito do crescimento já ocorrendo no mercado de fitas unidirecionais (UD). Em essência, a tecnologia pega a AFP e a reduz para uma impressora desktop. Na verdade, a empresa derivou seu nome original do projeto do sistema Micro AFP Kinematic Extrusion (Make).

A impressora, que a empresa chama de Fiber, é projetada como um sistema modular de troca de ferramentas para uso em ambiente de escritório ou chão de fábrica e é capaz de fornecer gabaritos, mordentes, ferramentas e dispositivos de fabricação de grau industrial, bem como peças de uso final. O operador pode usar uma cabeça Micro AFP para depositar material e depois estacioná-la e mudar para uma cabeça de fabricação por filamento fundido (FFF) conforme necessário.

"Pela primeira vez, as impressoras Fiber combinam as propriedades dos materiais de fibra contínua AFP de alto desempenho com a acessibilidade e velocidade de uma impressora 3D desktop", diz Fulop.

A tecnologia usa as mesmas fitas UD qualificadas para aplicações de alto desempenho. Embora a impressora seja capaz de processar fitas UD com uma ampla variedade de sistemas de fibra e matriz termoplástica, os materiais disponíveis inicialmente para o sistema incluirão poliamida 6 (PA6) com reforços de fibra de carbono e vidro, bem como polietereetercetona (PEEK) e polieterecetonacetona (PEKK) com reforço de fibra de carbono. As fitas, oferecidas em formato de 3 milímetros de largura, tipicamente apresentam fibras 12K e são enroladas em carretéis proprietários. Um único tow de 3 mm de largura é alimentado pela cabeça até chegar à região de nip, onde um aquecedor sem contato eleva a temperatura do termoplástico acima de seu ponto de fusão, e um rolo de compactação aplica pressão para consolidar a fita entrante ao substrato abaixo. Um cortador na cabeça corta a fita no final de cada passada. Segundo Fetfatsidis, as fitas oferecem uma solução de qualidade superior, mas mais de 10 vezes mais barata por litro do que um carretel de filamento 1K tow usado em algumas impressoras 3D baseadas em extrusão que usam fibra contínua. Além disso, a maior qualidade das fitas aliada à capacidade de adicionar pressão à peça através do processo AFP resulta em maior resistência.

"Temos fitas de altíssima qualidade usadas em processos AFP/ATL que têm carregamento de fibra muito alto — 60% de fibra de carbono — e juntamos isso com matriz PEEK ou PEKK de alta temperatura", diz Fetfatsidis.

Suporte de Câmera. O sistema Fiber permite que peças, como este suporte de câmera, sejam feitas mais rígidas e leves do que se impressas com outros materiais. Tempo de impressão rápido e baixos custos de material permitem que o designer itere rapidamente no design para alcançar uma peça ideal. Fonte: Desktop Metal

Peças criadas com o sistema Fiber dizem ser mais fortes que aço, mais leves que alumínio e podem ser impressas no desktop. O Fiber tem volume de construção de 320 x 240 x 270 mm (12,6 x 9,4 x 10,6 pol). Benefícios incluem reforço de fibra contínua por toda a peça e porosidade muito baixa. Fetfatsidis diz que peças criadas com fitas PA6 podem ter menos de 5% de porosidade e fitas PEEK/PEKK podem produzir peças com menos de 1% de porosidade. O operador tem a capacidade de direcionar tows para alcançar formas complexas ou condições de carga particulares. E como as resinas são termoplásticas, a necessidade de cura em autoclave é eliminada, bem como a necessidade de armazenar o material em freezer.

"Este é muito o primeiro produto no mundo da impressão 3D que combina fibra de carbono contínua com PEEK e PEKK em um desktop", diz Fulop.

Suporte de carga do shroud. Suportes de carga do shroud são usados para localizar componentes de metal injection molded (MIM) para que um efetor final robótico possa pegar uma peça antes de dimensões críticas serem usinadas. Este dispositivo experimenta desgaste considerável pois é constantemente ciclado dentro e fora do dispositivo. A impressão 3D do suporte de carga do shroud no sistema Fiber permite que engenheiros de usinagem reduzam o tempo de fabricação do dispositivo de semanas para horas — enquanto reduzem o custo de fabricação em 95%. Fonte: Desktop Metal

Acessível para todos

Embora a solução da Desktop Metal ofereça vários benefícios, incluindo a capacidade de criar peças de uso final e o uso de termoplásticos, talvez um dos aspectos mais empolgantes do sistema Fiber seja sua acessibilidade. A maioria dos sistemas que usam fitas termoplásticas de fibra contínua para fabricação automatizada de peças compósitas são sistemas de milhões de dólares. O sistema Fiber da Desktop Metal está disponível em dois modelos através de um serviço de assinatura. O Fiber HT é projetado para produzir peças com compósitos contínuos com <1% de porosidade e até 60% de carregamento de fibra contínua com matriz avançada, incluindo PEEK e PEKK. Pode produzir peças retardantes de chama UL 94-V0 para suportar altas temperaturas até 250°C, além de peças conformes ESD. O modelo Fiber HT começa a um preço introdutório de $5.495 por ano. Enquanto isso, o Fiber LT começa em $3.495 por ano, oferecendo uma maneira acessível de produzir peças de alta resistência, conformes ESD, não marcantes, usando fibra contínua com <5% de porosidade com termoplásticos PA6.

Efetor final ESD. Efetores finais são usados durante o processo de fabricação de placas de circuito impresso (PCB). Esta peça foi feita com PA6 reforçado com fibra de carbono seguro para descarga eletrostática (ESD) do sistema Fiber, para ajudar a proteger PCBs de descargas eletrostáticas danosas durante o processo de montagem. Impresso como compósito de fibra de carbono contínua, os efetores finais são extremamente rígidos, leves e capazes de suportar a carga do processo de montagem do PCB. Fonte: Desktop Metal

"Queremos que as pessoas possam comprar o sistema, tê-lo em sua mesa em casa ou no escritório e fazer peças de PEEK com fibra contínua", diz Fetfatsidis.

"Por alguns milhares de dólares você pode começar a fazer peças compósitas de alto desempenho feitas com a mesma tecnologia de fita que agora é usada em peças fabricadas por AFP de ponta", acrescenta Fulop.

À medida que o papel da impressão 3D na fabricação continua a crescer, designers e engenheiros precisam de soluções que permitam uma ampla gama de materiais acessíveis. O sistema Fiber é um grande passo à frente no sentido de colocar materiais compósitos de alto desempenho ao alcance de qualquer um que queira aproveitar a leveza, resistência e rigidez que os compósitos oferecem. A Desktop Metal apresentará seu sistema de impressão 3D desktop de fibra contínua Fiber na Formnext 2019, feira e conferência de manufatura aditiva, de 19 a 22 de novembro em Frankfurt, Alemanha.