Těžko spočítat, kolik je dnes už na světě aditivních technologií. Snahy o využití tisku součástek i celých výrobků přinášejí nové a nové výzvy a spolu s nimi chytré hlavy vymýšlejí nové materiály a způsoby aplikací. Co bylo včera nemožné, dnes jde anebo to možné bude už zítra. Jedna z takových cest vznikla na Colorado State University a umožňuje poměrně rychlý tisk kvalitních kompozitních dílů bez potřeby speciálních vytvrzovacích zařízení.
Při výrobě kompozitních dílů se v posledních letech čím dál více uplatňují aditivní technologie. Těch už je celá řada, nicméně tou nejrozšířenější je technologie označovaná třemi písmeny F (fused filament fabrication). Někdy bývá označována také více vypovídající zkratkou FDM (fused deposition modeling - modelování tavené depozice), nicméně v tomto případě jde o ochrannou známku, takže pro obecné užití bylo zavedeno právě označení FFF (někdy je zkratka právě pro její volné užití vykládána také jako filament freeform fabrication).
Jde prakticky o nejznámější technologi i, hojně rozší řenou i mezi amatéry, tedy o proces 3D tisku využívající spojité vlákno z termoplast ického mater iálu (ne vždy musí být spojité). To je přiváděno z velké cívky přes pohyblivou vyhřívanou tiskovou extruderovou hlavu a postupným nanášením drobných natavenin vniká cílový objekt. Tisková hlava se pohybuje pod kontrolou počítače, který pomocí softwaru definuje tištěný tvar.
Obvykle se hlava pohybuje v rovině vodorovné vrstvy a po jejím dokončení se tisková hlava posune o malý kousek výše, aby začala vrstvu novou. Z tohoto důvodu musí modelovací software a následně i hlava nezřídka kromě tištěného objektu vytvářet také podpůrné struktury, aby ve vyšších vrstvách mohla hlava tisknout části objektu, které by v dané rovině v momentě tisku jinak nebylo na co natavit, respektive přichytit.
Původní technologii fused deposition modeling vyvinul S. Scott Crump, spoluzakladatel společnosti Stratasys, už v roce 1988. Teprve však v roce 2009 s vypršením patentu mohli začít lidé technologii používat bez placení licence a nastal tedy její postupný boom otevřením dalších komerčních, open-source (především té vytvořené členy projektu RepRap - replicating rapid prototyper - zaměřeného na vývoj levné tiskárny schopné tisknout většinu vlastních komponent), a dokonce i DIY (do it yourself - udělej si sám) aplikací 3D tiskáren. To vedlo od vzniku této technologie k poklesu cen o dva řády.
Postupem času se technologie pochopitelně dále vyvíjela a dělila do dalších směrů, takže dnes už máme i tiskány tisknoucí z řady jiných materiálů nebo takové, které například netisknou z dlouhé „struny", ale třeba z pelet, takže mohou využívat i recykláty. A dnes tak s příměsí vláken poslouží také právě k tisku kompozitních dílů.
Problém většiny FFF technologií však spočívá v tom, že jimi vytvořené výsledné části často nejsou vhodné pro vysoce výkonné konstrukční aplikace kvůli nízkým provozním teplotám (většina tiskáren pracuje s poměrně nízkou tavnou teplotou a jimi zpracovávané díly tedy nevykazují velkou tepelnou odolnost ani po zhotovení), nedokonalému mechanickému spojení mezi vrstvami (kompozitní vlákna zpravidla neprostupují mezi vrstvami, a tudíž ani nepřispívají ke zvýšení pevnosti), velkému obsahu dutin a relativně malým objemům vláken.
Nelehká cesta pryskyřic
Tým z coloradské státní univerzity se však pokusil najít řešení v podobě speciálních termosetových kompozitních pryskyřic plněných vlákny. Tyto nízkoviskózní materiály citlivé na teplo lze vytlačovat přímým „inkoustovým" tiskem (tedy vytlačováním materiálu bez potřeby tavení) a často nabízejí vynikající termomechanické vlastnosti, tedy alespoň ve srovnání s protějšky z tavených strun či pelet. Termosetové materiály však byly zatíženy jinými vážnými potížemi při zpracování, především souvisejícími s rychlostí jejich vytvrzování.
Postupem času se technologie pochopitelně dále vyvíjela a dělila do dalších směrů, takže dnes už máme i tiskány tisknoucí z řady jiných materiálů nebo takové, které například netisknou z dlouhé „struny“, ale třeba z pelet, takže mohou využívat i recykláty. A dnes tak s příměsí vláken poslouží také právě k tisku kompozitních dílů. Problém většiny FFF technologií však spočívá v tom, že jimi vytvořené výsledné části často nejsou vhodné pro vysoce výkonné konstrukční aplikace kvůli nízkým provozním teplotám (většina tiskáren pracuje s poměrně nízkou tavnou teplotou a jimi zpracovávané díly tedy nevykazují velkou tepelnou odolnost ani po zhotovení), nedokonalému mechanickému spojení mezi vrstvami (kompozitní vlákna zpravidla neprostupují mezi vrstvami, a tudíž ani nepřispívají ke zvýšení pevnosti), velkému obsahu dutin a relativně malým objemům vláken.
Nelehká cesta pryskyřic
Tým z coloradské státní univerzity se však pokusil najít řešení v podobě speciálních termosetových kompozitních pryskyřic plněných vlákny. Tyto nízkoviskózní materiály citlivé na teplo lze vytlačovat přímým „inkoustovým“ tiskem (tedy vytlačováním materiálu bez potřeby tavení) a často nabízejí vynikající termomechanické vlastnosti, tedy alespoň ve srovnání s protějšky z tavených strun či pelet. Termosetové materiály však byly zatíženy jinými vážnými potížemi při zpracování, především souvisejícími s rychlostí jejich vytvrzování. 3D tištěné termosetové pryskyřice totiž bývají tvrzeny pomocí UV paprsků, laserů nebo i pomocí viditelného světla, ale fototvrditelné varianty nemají dostatečně vysokou rychlost vytvrzování, aby si zachovaly i původní tištěnou geometrii. Než stihnou vytvrdnout, tak lehce stékají, prohýbají se a vyžadují podpěry. Nelze u nich používat ani neprůhledné inkousty nebo inkousty s vysokým obsahem vláken, protože ty dále zpomalují, nebo i zcela znemožňují proces tvrzení. Další cestou je proces tepelného vytvrzování, ale ten vyžaduje velmi vysoké teploty (srovnatelné s pečicí troubou), což je energeticky náročné a klade to vysoké nároky také na konstrukci tiskárny. Není tedy divu, že se nakonec žádný z těchto přístupů v minulosti příliš neosvědčil, tedy pokud jde o 3D tisk bez podpory volných geometrií.
Strategie vytvrzování frontální polymerací
Vědci z Colorado State University však vyvinuli novou metodu 3D tisku kompozitních dílů vyztužených uhlíkovými vlákny bez potřeby podpůrných konstrukcí. Ta se opírá o speciálně vyvinutou termosetovou pryskyřici a unikátní proces vytvrzování nazývaný frontální polymerizace, který tiskový materiál vytvrzuje při vytlačování. Výsledkem je, že tištěná část tuhne téměř okamžitě po vytlačení bez potřeby jakéhokoli vnějšího zdroje UV nebo IR záření. Objekty tištěné touto 3D technologií jsou navíc podpořeny kompozitní strukturou obsahující uhlíková vlákna umožňující zachovat původní geometrii s volnými tvary i bez podpěr a vyznačují se také nulovým obsahem dutin. Vědci z Colorada pro tento účel vytvořili vlastní termosetovou pryskyřici na bázi DCPD (dicyklopentadienu) plněnou krátkými uhlíkovými vlákny. K zahájení procesu vytvrzování pryskyřice po jejím vytlačení postačí lokální tepelný stimul vytvořený vyhříváním tiskového lůžka. Ten nastartuje samoudržující exotermickou reakci. Výsledkem je, že se kompozitní pryskyřice vytvrzuje in- -situ, tedy na místě během kontinuálního nanášení. Přesným přizpůsobením rychlosti tisku přední rychlosti, tedy rychlosti, kterou se exotermická reakce šíří, je možné 3D tisknout zcela nepodporované struktury volného tvaru, které prakticky okamžitě tvrdnou. Kromě výrazného zlepšení mechanického výkonu bylo zjištěno, že přidání uhlíkových vláken zlepšuje tepelnou vodivost kompozitní pryskyřice. Vědci se domnívají, že jejich technika 3D tisku s frontální polymerací může být nakonec aplikována na širokou škálu typů vyztužovacích vláken, a dokonce i částicových přísad. /Karel Sedláček a Michael Málek/