บทนำ
ได้รับการประกาศให้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่สำคัญสำหรับการเปลี่ยนโฉมหน้าของการผลิตและจัดหาโซ่การผลิตสารเติมแต่งกลับมาอยู่ในไฟแก็ซ มันมีเหตุผลที่ดี เทคนิคการเติมสารเคมีแบบชั้นต่อชั้นภายใต้เงื่อนไขการพิมพ์ 3 มิติได้รับการใช้อย่างกว้างขวางเพื่อช่วยชีวิตผู้คนในฐานะรัฐบาลทั่วโลกการต่อสู้ของดาวเคราะห์เพื่อต่อสู้กับ COVID-19
ในขณะที่ บริษัท อย่าง Isnnova และ Lonati SpA มีวาล์วพิมพ์ 3 มิติสำหรับเครื่องช่วยหายใจ บริษัท อื่น ๆ เช่น RapidMade กำลังผลิตอุปกรณ์ป้องกันฉุกเฉินส่วนบุคคล (PPE) เช่นมาสก์หน้าพลาสติกที่มีน้ำหนักเบาพร้อมตัวกรองแบบถอดได้ในตัว กลุ่มเช่นเดียวกับ COVID Maker Response (CMR) ก็คือการผลิตการประกอบและการกระจาย PPE ที่พิมพ์ 3 มิติไปยังผู้ปฏิบัติงานด้านสุขภาพ CMR ก่อตั้งขึ้นโดยสมาชิกของห้องสมุดมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย, Tangible Creative และ MakerBot
ซอฟต์แวร์การพิมพ์ 3 มิติบนคลาวด์ช่วยให้ผู้ผลิตมีอำนาจในการทำส่วนใดก็ได้ตามความต้องการพร้อมทั้งเพิ่มคำอธิบายสำหรับการผลิตสารเติมแต่ง
อย่างไรก็ตามการพิมพ์ 3 มิติไม่ใช่พลาสติกเกือบทั้งหมด แต่เรื่องราวของการพิมพ์ 3 มิติเริ่มขึ้นในทศวรรษ 1980 ด้วยพลาสติกซึ่งยังคงเป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด สิ่งนี้มักจะไม่น่าแปลกใจเนื่องจากพลาสติกมีวางจำหน่ายอย่างรวดเร็วราคาไม่แพงและเป็นที่ยอมรับในระหว่างกระบวนการอัดรีด
ที่กล่าวว่าเครื่องพิมพ์ 3D ในปัจจุบันใช้โลหะอัลลอยและคอมโพสิต วัสดุเหล่านี้กำลังถูกนำมาใช้ไม่เพียง แต่จะก่อให้เกิด PPE และอุปกรณ์ทางการแพทย์อื่น ๆ เท่านั้น แต่ยังรวมถึงเครื่องประดับและแปรงสีฟันรองเท้าฟุตบอลชิ้นส่วนรถแข่งชิ้นส่วนเครื่องจักรเค้กแบบกำหนดเองอวัยวะมนุษย์บ้านและชิ้นส่วนเครื่องบิน
โลหะและโลหะผสมเช่นอลูมิเนียม, เหล็ก, เหล็กโครเมี่ยม, แกลเลียม, ไทเทเนียมและโคบอลต์โครเมี่ยมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการบิน, ยานยนต์และอุตสาหกรรมการแพทย์และใช้กระบวนการเช่นการเลือกเลเซอร์ sintering (SLS), เลเซอร์โลหะ sintering (DMLS) หรือ e-beam (EBM) เครื่องพิมพ์ 3 มิติใช้วัสดุเช่นเซรามิกส์ทรายวัสดุอินทรีย์หินอ่อนหินและไม้โดยคำนึงถึงการใช้งาน
ในขณะที่ บริษัท อย่าง Isnnova และ Lonati SpA มีวาล์วพิมพ์ 3 มิติสำหรับเครื่องช่วยหายใจ บริษัท อื่น ๆ เช่น RapidMade กำลังผลิตอุปกรณ์ป้องกันฉุกเฉินส่วนบุคคล (PPE) เช่นมาสก์หน้าพลาสติกที่มีน้ำหนักเบาพร้อมตัวกรองแบบถอดได้ในตัว กลุ่มเช่นเดียวกับ COVID Maker Response (CMR) ก็คือการผลิตการประกอบและการกระจาย PPE ที่พิมพ์ 3 มิติไปยังผู้ปฏิบัติงานด้านสุขภาพ CMR ก่อตั้งขึ้นโดยสมาชิกของห้องสมุดมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย, Tangible Creative และ MakerBot
ซอฟต์แวร์การพิมพ์ 3 มิติบนคลาวด์ช่วยให้ผู้ผลิตมีอำนาจในการทำส่วนใดก็ได้ตามความต้องการพร้อมทั้งเพิ่มคำอธิบายสำหรับการผลิตสารเติมแต่ง
อย่างไรก็ตามการพิมพ์ 3 มิติไม่ใช่พลาสติกเกือบทั้งหมด แต่เรื่องราวของการพิมพ์ 3 มิติเริ่มขึ้นในทศวรรษ 1980 ด้วยพลาสติกซึ่งยังคงเป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด สิ่งนี้มักจะไม่น่าแปลกใจเนื่องจากพลาสติกมีวางจำหน่ายอย่างรวดเร็วราคาไม่แพงและเป็นที่ยอมรับในระหว่างกระบวนการอัดรีด
ที่กล่าวว่าเครื่องพิมพ์ 3D ในปัจจุบันใช้โลหะอัลลอยและคอมโพสิต วัสดุเหล่านี้กำลังถูกนำมาใช้ไม่เพียง แต่จะก่อให้เกิด PPE และอุปกรณ์ทางการแพทย์อื่น ๆ เท่านั้น แต่ยังรวมถึงเครื่องประดับและแปรงสีฟันรองเท้าฟุตบอลชิ้นส่วนรถแข่งชิ้นส่วนเครื่องจักรเค้กแบบกำหนดเองอวัยวะมนุษย์บ้านและชิ้นส่วนเครื่องบิน
โลหะและโลหะผสมเช่นอลูมิเนียม, เหล็ก, เหล็กโครเมี่ยม, แกลเลียม, ไทเทเนียมและโคบอลต์โครเมี่ยมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการบิน, ยานยนต์และอุตสาหกรรมการแพทย์และใช้กระบวนการเช่นการเลือกเลเซอร์ sintering (SLS), เลเซอร์โลหะ sintering (DMLS) หรือ e-beam (EBM) เครื่องพิมพ์ 3 มิติใช้วัสดุเช่นเซรามิกส์ทรายวัสดุอินทรีย์หินอ่อนหินและไม้โดยคำนึงถึงการใช้งาน
พลังของคอมโพสิต
ชิ้นส่วนที่ทำจากคอมโพสิตและโลหะที่พิมพ์ 3 มิติช่วยเติมเต็มบทบาทที่แตกต่างกันบนพื้นโรงงานและอาจเสริมซึ่งกันและกันเพื่อรองรับการผลิต
การใช้ทั้งโลหะและเครื่องพิมพ์คอมโพสิตมอบความยืดหยุ่นในการใช้ประโยชน์จากจุดแข็งของวัสดุทั้งสองและสร้างเครื่องมือที่ใช้งานได้อย่างยอดเยี่ยม [MG1]
การใช้ทั้งโลหะและเครื่องพิมพ์คอมโพสิตมอบความยืดหยุ่นในการใช้ประโยชน์จากจุดแข็งของวัสดุทั้งสองและสร้างเครื่องมือที่ใช้งานได้อย่างยอดเยี่ยม [MG1]
(รูปภาพอ้างอิงจาก MG1.)
คอมโพสิตซึ่งขณะนี้ได้รับเนื่องจากในฟิลด์ของการพิมพ์ 3 มิติสามารถกำหนดกว้างเป็นวัสดุที่ประกอบด้วยการเสริมแรง (เช่นเส้นใยหรืออนุภาค) สนับสนุนโดยวัสดุ binder (เมทริกซ์) เมทริกซ์จัดเตรียมสื่อสำหรับการรวมและการเสริมกำลังเข้าด้วยกันในรูปของแข็ง คอมโพสิตส่วนใหญ่มีข้อได้เปรียบที่สูงอย่างมากในแง่ของความแข็งแรงเฉพาะของพวกเขา (อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนัก) และความแข็งจำเพาะ (อัตราส่วนความแข็งต่อน้ำหนัก)
คอมโพสิตสามารถจำแนกตามรูปแบบการเสริมแรงได้อย่างกว้างขวาง ได้แก่ การเสริมอนุภาคฝุ่นเสริมใยหรือคอมโพสิตลามิเนต
วัสดุคอมโพสิตที่เสริมด้วยเส้นใยสามารถแบ่งออกได้เป็นวัสดุที่มีเส้นใยไม่ต่อเนื่องหรือต่อเนื่อง คอมโพสิตที่เสริมด้วยไฟเบอร์ซึ่งมีกำลังเสริมที่มีความยาวมากกว่าขนาดหน้าตัดของพวกเขาจะถือว่าเป็นเส้นใยที่ไม่ต่อเนื่องหรือสั้นถ้าคุณสมบัติของพวกมันแปรผันตามความยาวของเส้นใย มิฉะนั้นคอมโพสิตเหล่านี้ถือว่าเป็นเส้นใยเสริมแรงอย่างต่อเนื่อง [MG2]
เปอร์เซ็นต์ของไฟเบอร์ที่ใช้และเทอร์โมพลาสติกพื้นฐานกำหนดว่าส่วนสุดท้ายนั้นมีความแข็งแรงเพียงใด ในกรณีของเส้นใยต่อเนื่องจะมีการผสมเส้นใยยาวกับเทอร์โมพลาสติกเช่น PLA, ABS, ไนลอน, PETG และ PEEK ในระหว่างกระบวนการพิมพ์ ชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติด้วยเส้นใยต่อเนื่องมีน้ำหนักเบามาก แต่แข็งแรงเหมือนโลหะ
คอมโพสิตสามารถจำแนกตามรูปแบบการเสริมแรงได้อย่างกว้างขวาง ได้แก่ การเสริมอนุภาคฝุ่นเสริมใยหรือคอมโพสิตลามิเนต
วัสดุคอมโพสิตที่เสริมด้วยเส้นใยสามารถแบ่งออกได้เป็นวัสดุที่มีเส้นใยไม่ต่อเนื่องหรือต่อเนื่อง คอมโพสิตที่เสริมด้วยไฟเบอร์ซึ่งมีกำลังเสริมที่มีความยาวมากกว่าขนาดหน้าตัดของพวกเขาจะถือว่าเป็นเส้นใยที่ไม่ต่อเนื่องหรือสั้นถ้าคุณสมบัติของพวกมันแปรผันตามความยาวของเส้นใย มิฉะนั้นคอมโพสิตเหล่านี้ถือว่าเป็นเส้นใยเสริมแรงอย่างต่อเนื่อง [MG2]
เปอร์เซ็นต์ของไฟเบอร์ที่ใช้และเทอร์โมพลาสติกพื้นฐานกำหนดว่าส่วนสุดท้ายนั้นมีความแข็งแรงเพียงใด ในกรณีของเส้นใยต่อเนื่องจะมีการผสมเส้นใยยาวกับเทอร์โมพลาสติกเช่น PLA, ABS, ไนลอน, PETG และ PEEK ในระหว่างกระบวนการพิมพ์ ชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติด้วยเส้นใยต่อเนื่องมีน้ำหนักเบามาก แต่แข็งแรงเหมือนโลหะ
ทำไมต้องใช้คาร์บอนไฟเบอร์แบบเดียว
เครื่องพิมพ์ 3D ส่วนใหญ่ที่มีความสามารถในการประมวลผลวัสดุคอมโพสิตได้รับการสนับสนุนโดยกระบวนการการอัดขึ้นรูปโพลิเมอร์ ใน FFF หัวฉีดเคลื่อนที่ไปเหนือแท่นสร้างจะอัดเกลียวพลาสติกที่เรียกว่าเส้นใยและสร้างวัตถุทีละชั้น
คาร์บอนไฟเบอร์เป็นหนึ่งในเส้นใยที่ได้รับความนิยมสูงสุดในการพิมพ์ 3 มิติรองลงมาคือไฟเบอร์กลาสและเคฟลาร์ หากคุณต้องการชิ้นส่วนเครื่องจักร 3 มิติที่แข็งแรง แต่พิมพ์เบาคุณจะต้องคิดถึงคาร์บอนไฟเบอร์ เป็นวัสดุแข็งที่แข็งแกร่งอย่างเหลือเชื่อ - แข็งแรงกว่าเหล็กถึงห้าเท่า แต่น้ำหนักเบากว่ามาก
ดังนั้นคาร์บอนไฟเบอร์จึงค้นหาแอปพลิเคชั่นในการบินอวกาศถนนและการขนส่งทางทะเลอุปกรณ์กีฬาอุปกรณ์เครื่องเสียงลำโพงสำหรับอุปกรณ์ไฮไฟแขนปิคอัพแขนหุ่นยนต์ฝากระโปรงรถยนต์เครื่องมือใหม่การผ่าตัดปลอกและอุปกรณ์เอ็กซเรย์รากฟันเทียม วาล์วซีลและส่วนประกอบปั๊มในโรงงานแปรรูปและอุปกรณ์รังสีอื่น ๆ
คาร์บอนไฟเบอร์เป็นหนึ่งในเส้นใยที่ได้รับความนิยมสูงสุดในการพิมพ์ 3 มิติรองลงมาคือไฟเบอร์กลาสและเคฟลาร์ หากคุณต้องการชิ้นส่วนเครื่องจักร 3 มิติที่แข็งแรง แต่พิมพ์เบาคุณจะต้องคิดถึงคาร์บอนไฟเบอร์ เป็นวัสดุแข็งที่แข็งแกร่งอย่างเหลือเชื่อ - แข็งแรงกว่าเหล็กถึงห้าเท่า แต่น้ำหนักเบากว่ามาก
ดังนั้นคาร์บอนไฟเบอร์จึงค้นหาแอปพลิเคชั่นในการบินอวกาศถนนและการขนส่งทางทะเลอุปกรณ์กีฬาอุปกรณ์เครื่องเสียงลำโพงสำหรับอุปกรณ์ไฮไฟแขนปิคอัพแขนหุ่นยนต์ฝากระโปรงรถยนต์เครื่องมือใหม่การผ่าตัดปลอกและอุปกรณ์เอ็กซเรย์รากฟันเทียม วาล์วซีลและส่วนประกอบปั๊มในโรงงานแปรรูปและอุปกรณ์รังสีอื่น ๆ
(โอกาส AM แบบรวมสามารถเติบโตได้เกือบ $ 10,000 ล้านในธุรกิจทั่วโลกทุกปี (รูปภาพอ้างอิงจาก SmarTech Publishing.))
ส่วนประกอบ
เส้นใยคาร์บอนส่วนใหญ่ประกอบด้วยโพลีอะคริโลไนทริล (ร้อยละ 90) ส่วนที่เหลืออีกร้อยละ 10 ประกอบด้วยเรยอนหรือปิโตเลียมปิโตรเลียม - โพลีเมอร์อินทรีย์ทั้งหมดที่เกิดขึ้นจากโมเลกุลของโมเลกุลคาร์บอน
หลักที่จะไม่ทำให้คาร์บอนไฟเบอร์เป็นชื่อสารตั้งต้น มันถูกดึงเข้าไปในเส้นยาวที่ถูกความร้อนจนถึงความร้อนที่แท้จริงโดยไม่ปล่อยให้พวกมันสัมผัสกับออกซิเจนเพื่อที่เส้นใยจะไม่สามารถเผาไหม้ได้ วิธีการที่เรียกว่าคาร์บอไนเซชันจะสร้างเส้นใยยาวที่ทออย่างแน่นหนาซึ่งถูกเคลือบเพื่อป้องกันความเสียหายระหว่างการพันหรือการทอ
การพิมพ์แบบ 3 มิติของเส้นใยที่มีเส้นใยสับต้องใช้หัวฉีดเหล็กกล้าชุบแข็งเพื่อต้านทานเส้นใยที่มีฤทธิ์กัดกร่อน อย่างไรก็ตามกระบวนการ FFF สำหรับการพิมพ์ด้วยเส้นใยอย่างต่อเนื่องต้องใช้หัวฉีดที่สองเพื่อแยกเส้นใยหนึ่งเส้นออกมาอย่างต่อเนื่อง
หลักที่จะไม่ทำให้คาร์บอนไฟเบอร์เป็นชื่อสารตั้งต้น มันถูกดึงเข้าไปในเส้นยาวที่ถูกความร้อนจนถึงความร้อนที่แท้จริงโดยไม่ปล่อยให้พวกมันสัมผัสกับออกซิเจนเพื่อที่เส้นใยจะไม่สามารถเผาไหม้ได้ วิธีการที่เรียกว่าคาร์บอไนเซชันจะสร้างเส้นใยยาวที่ทออย่างแน่นหนาซึ่งถูกเคลือบเพื่อป้องกันความเสียหายระหว่างการพันหรือการทอ
การพิมพ์แบบ 3 มิติของเส้นใยที่มีเส้นใยสับต้องใช้หัวฉีดเหล็กกล้าชุบแข็งเพื่อต้านทานเส้นใยที่มีฤทธิ์กัดกร่อน อย่างไรก็ตามกระบวนการ FFF สำหรับการพิมพ์ด้วยเส้นใยอย่างต่อเนื่องต้องใช้หัวฉีดที่สองเพื่อแยกเส้นใยหนึ่งเส้นออกมาอย่างต่อเนื่อง
ข้อดีและข้อเสีย
Pros | Cons |
|---|---|
คาร์บอนไฟเบอร์มีคุณสมบัติเชิงบวกมากมาย มันเป็นความแข็งแรงที่เฉพาะเจาะจงสูงหรืออัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนัก มันมีความแข็งแกร่งสูงทนต่อการกัดกร่อนและมีความเสถียรทางเคมี เป็นแรงดึงที่ดี - ความเครียดสูงสุดที่ผ้าสามารถทนได้ในขณะที่ถูกยืดหรือดึงก่อนคอหรือไม่ | คาร์บอนไฟเบอร์มีคุณสมบัติทนไฟและมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำซึ่งเป็นการวัดว่าผ้าจะขยายหรือหดตัวตามสัดส่วนเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นหรือลดลง คาร์บอนไฟเบอร์มีคุณสมบัติไม่เป็นพิษเป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิตและ X-ray ที่สามารถซึมผ่านได้ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์ต่อการใช้งานทางการแพทย์ |
คาร์บอนไฟเบอร์ชนิดสับ
ในวิธีนี้คาร์บอนไฟเบอร์นั้นถูกรวมเข้ากับเส้นใยแล้วและเตรียมที่จะพิมพ์บนเครื่องพิมพ์ FFF 3D (หัวฉีดที่ถูกต้องและเตียงที่ให้ความร้อน) วัสดุฐาน (PLA, ไนลอนหรือเทอร์โมพลาสติกอื่น ๆ ) ผสมกับคาร์บอนไฟเบอร์ขนาดเล็กมาก เส้นใยคาร์บอนขนาดเล็กเหล่านี้มีฤทธิ์กัดกร่อนดังนั้นเครื่องพิมพ์ 3D จะต้องใช้หัวฉีดเหล็กชุบแข็งหรือหัวฉีดที่ทนทานอีกตัวเพื่อต้านทาน
ชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วยเส้นใยชนิดนี้มีความแข็งแรงกว่าแบบเทอร์โมพลาสติกทั่วไป แต่สัดส่วนของไฟเบอร์ที่ใช้และดังนั้นเทอร์โมพลาสติกพื้นฐาน (ในกลุ่มตัวแปรอื่น ๆ ) จะเป็นตัวกำหนดความแข็งแรงของผลิตภัณฑ์ขั้นสูงสุด
พิจารณากรณีของระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติที่ทำจากส่วนประกอบที่ส่งกำลังไปยังล้อขับและต้องใช้ชุดประกอบภายใต้ประทุนที่ซับซ้อนซึ่งมีการกำหนดค่าโดยใช้ชุดเครื่องมือและจิ๊กที่ซับซ้อนซึ่งปรับแต่งอย่างสมบูรณ์สำหรับงานสร้าง แทนที่จะใช้ CNC ไปยังเครื่องวัดผู้ให้บริการโซลูชันยานพาหนะไฟฟ้า Dayco 3D พิมพ์ใน Onyx (จาก Markforged) วัสดุที่พิมพ์แบบสามมิติอาจมีต้นทุนต่ำเทอร์โมพลาสติกที่มีความแข็งแรงสูงทำจากไนลอนและคาร์บอนไฟเบอร์สับ
การพิมพ์ 3 มิติช่วยให้ Dayco ทำการประกอบชิ้นส่วนเหล่านั้นโดยอัตโนมัติทำให้แรงงานเครื่องจักรกลซีเอ็นซีที่มีทักษะเพิ่มความชำนาญในการผลิตกระบวนการผลิตที่มีมูลค่าสูง Dayco สอดคล้องกับ Markforged ซึ่งช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายได้ 70 เปอร์เซ็นต์และลดเวลาการผลิตโดยรวมจาก 200 เป็น 100 ชั่วโมง
อีกกรณีหนึ่งคือ Utah Trikes ผู้ผลิต trikes, quads และ wheelchairs ที่กำหนดเองซึ่งต้องการพลังในการสร้างชิ้นส่วนต้นแบบที่สามารถทดสอบได้จริงซึ่งอาจมีทั้งต้นทุนและเวลา รถเข็นคนพิการที่ขับเคลื่อนด้วยแป้นเหยียบในการผลิตที่ Utah Trikes มี 450 ส่วนที่แตกต่างกันซึ่ง 120 ชิ้นเป็นงานพิมพ์ 3 มิติ
บริษัท ใช้ Stratasys FDM Nylon 12CF ซึ่งทำให้ Utah Trikes เป็น“ ... ความสามารถในการออกแบบและพิมพ์งาน ณ สถานที่ซึ่งลดเวลาในการผลิตจากสองเดือนเหลือ 2 สัปดาห์ลดต้นทุนของ บริษัท ได้ 8-10 เท่า ” สอดคล้องกับเว็บไซต์ของ Stratasys
ผู้ผลิตเส้นใยอื่น ๆ ของคอมโพสิตใยสั้น ได้แก่ Roboze, 3DXTech, Proto-Pasta และ colorFabb
ชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วยเส้นใยชนิดนี้มีความแข็งแรงกว่าแบบเทอร์โมพลาสติกทั่วไป แต่สัดส่วนของไฟเบอร์ที่ใช้และดังนั้นเทอร์โมพลาสติกพื้นฐาน (ในกลุ่มตัวแปรอื่น ๆ ) จะเป็นตัวกำหนดความแข็งแรงของผลิตภัณฑ์ขั้นสูงสุด
พิจารณากรณีของระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติที่ทำจากส่วนประกอบที่ส่งกำลังไปยังล้อขับและต้องใช้ชุดประกอบภายใต้ประทุนที่ซับซ้อนซึ่งมีการกำหนดค่าโดยใช้ชุดเครื่องมือและจิ๊กที่ซับซ้อนซึ่งปรับแต่งอย่างสมบูรณ์สำหรับงานสร้าง แทนที่จะใช้ CNC ไปยังเครื่องวัดผู้ให้บริการโซลูชันยานพาหนะไฟฟ้า Dayco 3D พิมพ์ใน Onyx (จาก Markforged) วัสดุที่พิมพ์แบบสามมิติอาจมีต้นทุนต่ำเทอร์โมพลาสติกที่มีความแข็งแรงสูงทำจากไนลอนและคาร์บอนไฟเบอร์สับ
การพิมพ์ 3 มิติช่วยให้ Dayco ทำการประกอบชิ้นส่วนเหล่านั้นโดยอัตโนมัติทำให้แรงงานเครื่องจักรกลซีเอ็นซีที่มีทักษะเพิ่มความชำนาญในการผลิตกระบวนการผลิตที่มีมูลค่าสูง Dayco สอดคล้องกับ Markforged ซึ่งช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายได้ 70 เปอร์เซ็นต์และลดเวลาการผลิตโดยรวมจาก 200 เป็น 100 ชั่วโมง
อีกกรณีหนึ่งคือ Utah Trikes ผู้ผลิต trikes, quads และ wheelchairs ที่กำหนดเองซึ่งต้องการพลังในการสร้างชิ้นส่วนต้นแบบที่สามารถทดสอบได้จริงซึ่งอาจมีทั้งต้นทุนและเวลา รถเข็นคนพิการที่ขับเคลื่อนด้วยแป้นเหยียบในการผลิตที่ Utah Trikes มี 450 ส่วนที่แตกต่างกันซึ่ง 120 ชิ้นเป็นงานพิมพ์ 3 มิติ
บริษัท ใช้ Stratasys FDM Nylon 12CF ซึ่งทำให้ Utah Trikes เป็น“ ... ความสามารถในการออกแบบและพิมพ์งาน ณ สถานที่ซึ่งลดเวลาในการผลิตจากสองเดือนเหลือ 2 สัปดาห์ลดต้นทุนของ บริษัท ได้ 8-10 เท่า ” สอดคล้องกับเว็บไซต์ของ Stratasys
ผู้ผลิตเส้นใยอื่น ๆ ของคอมโพสิตใยสั้น ได้แก่ Roboze, 3DXTech, Proto-Pasta และ colorFabb
การเดิมพันในอนาคตด้วยคาร์บอนไฟเบอร์อย่างต่อเนื่อง
บริษัท ที่ใช้วิธีการพิมพ์ 3 มิติอย่างต่อเนื่อง ได้แก่ Markforged, Anisoprint, CEAD, Roboze, EnvisionTEC และ Impossible Objects เครื่องพิมพ์ 3D คาร์บอนไฟเบอร์แบบต่อเนื่องโดยทั่วไปอยู่ในช่วงระหว่าง $ 14,000 ถึง $ 250,000 ขึ้นอยู่กับขนาดและแอปพลิเคชัน
Markforged เปิดตัววิธีการผลิตเส้นใยแบบต่อเนื่องเป็นครั้งแรกในปี 2014 เมื่อ บริษัท เปิดตัว Mark One ในขณะที่ Mark One ถูกแทนที่ด้วยเครื่องพิมพ์ 3D รุ่นใหม่ แต่เทคโนโลยีก็ยังไม่เปลี่ยน โดยปกติแล้วเครื่องพิมพ์จะมีหัวฉีดสองหัว - อันหนึ่งเพื่อขับไล่เส้นใยพลาสติกและอีกอันหนึ่งเพื่อวางเส้นคาร์บอนไฟเบอร์ในเวลาเดียวกัน
เทคโนโลยีไปตามชื่อต่าง ๆ ด้วยความหลากหลาย ในขณะที่ Markforged เรียกมันว่าการผลิตเส้นใยอย่างต่อเนื่อง (CFF) Anisoprint เริ่มต้นได้ขนานนามว่า Composite Fiber Co-extrusion (CFC)
เป็นตัวอย่างของการประยุกต์ใช้งานจริงของเทคโนโลยีนี้ [MG3] นักดำน้ำที่เป็นนักกีฬา Dmitry Pavlenko ต้องการคันโยกเพื่อควบคุมอัตราเงินเฟ้อของอากาศและปล่อยเพื่อรักษาพยุงและความคล่องแคล่ว เขาเริ่มด้วยการใช้ช้อนเหล็กเป็นคันโยก แต่มันก็หักหลังจากการดำน้ำครั้งที่ 10 คันโยกอีกอันถูกพิมพ์ลงบนเครื่องพิมพ์ Anisoprint Composer 3D จาก PETG (โพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET) ซึ่งดัดแปลงรุ่นไกลคอล (PET) ซึ่งใช้กันทั่วไปในการผลิตขวดน้ำ) และเสริมด้วยคาร์บอนคอมโพสิตเพื่อเพิ่มอายุการใช้งาน ส่วนหนึ่ง Pavlenko เชื่อว่าชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วย Anisoprint จะอยู่รอดได้ 100 ไดฟ์
กระบวนการที่เป็นกรรมสิทธิ์ของ AREVO ของ Silicon Valley นั้นใช้เทคโนโลยี Directed Energy Deposition (DED) ซึ่งใช้เลเซอร์ในการให้ความร้อนกับเส้นใยและคาร์บอนไฟเบอร์ในเวลาเดียวกันกับลูกกลิ้งที่บีบอัดวัสดุทั้งสองเข้าด้วยกัน กระบวนการผลิตเพิ่มเติมนั้นประกอบไปด้วยอัลกอริธึมซอฟต์แวร์ที่จดสิทธิบัตรทำให้สามารถใช้เทคนิคการออกแบบทั่วไปหุ่นยนต์เคลื่อนไหวอิสระสำหรับการก่อสร้าง "3D จริง" และ DED "สำหรับการก่อสร้างที่ปราศจากโมฆะเสมือนจริงทั้งหมดเหมาะสำหรับวัสดุคอมโพสิต anisotropic"
เป็นตัวอย่างของเทคโนโลยีในที่ทำงาน AREVO ผลิตเฟรม unibody เฟรมคาร์บอนไฟเบอร์ที่พิมพ์ 3 มิติสำหรับ e-bikes รุ่นใหม่ที่เรียกว่า EVE9 จาก Pilot Distribution Group BV ซึ่งเป็นผู้นำในการออกแบบและผลิตจักรยาน “ เทคโนโลยีคาร์บอนต่อเนื่องของ AREVO นั้นน่าประทับใจมากเพราะมันเป็นไปได้ในการออกแบบมากมายและให้ความแข็งแกร่งและความทนทานที่ยอดเยี่ยม” Arno Pieterse จาก Pilot กล่าว
ตามแถลงการณ์ในเดือนกันยายนปี 2019 Hemant Bheda ผู้ร่วมก่อตั้งและประธาน AREVO เห็นว่า“ การบังคับใช้ในระยะสั้น (ของเทคโนโลยีนี้) ในพื้นที่อื่น ๆ ของการเคลื่อนไหวในเมืองสีเขียวจากสกูตเตอร์ไฟฟ้าไปยัง e-VTOLs หรือรถยนต์ที่บิน”
Impossible Objects และ EnvisionTEC ได้เพิ่มระบบสำหรับการพิมพ์ไฟเบอร์ 3D อย่างต่อเนื่องในช่วงของเครื่องจักร แม้ว่าเทคโนโลยีจะมีการบิดตัวเนื่องจากพวกมันทอเป็นแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ลงในงานพิมพ์โดยใช้กระบวนการเคลือบ ในส่วนของคอมโพสิตอย่างต่อเนื่อง [MG4] ใช้เทคโนโลยีไฮบริดที่เส้นใยของเส้นใยจะถูกแช่ด้วยเรซิ่นและจากนั้นชุบแข็งโดยใช้แสง UV ซึ่งเป็นกระบวนการที่คล้ายกับการพิมพ์ SLA 3D
9T Labs ในสวิตเซอร์แลนด์ใช้กระบวนการพิมพ์ 3 มิติที่เรียกว่า Additive Fusion Technology (AFT) - การเสริมแรงทำจากวัสดุที่เติมคาร์บอนแทนเส้นใยคาร์บอนบริสุทธิ์
วิธีการที่ใช้คอมโพสิตแบบต่อเนื่องที่ใช้สหรัฐอเมริกาเรียกว่าการพิมพ์แบบต่อเนื่องไฟเบอร์ 3D (CF3D) มันป้อนม้วนคาร์บอนไฟเบอร์แห้งลงในหัวพิมพ์ที่ติดตั้งบนหุ่นยนต์อุตสาหกรรมเจ็ดแกน ด้านในของหัวพิมพ์เส้นใยนั้นถูกเคลือบด้วยเรซิ่น photopolymer ที่บ่มอย่างรวดเร็วและถูกสกัดผ่านเอฟเฟกต์สุดท้ายและรักษาให้หายได้ทันทีด้วยแหล่งพลังงานที่ทรงพลัง
Markforged เปิดตัววิธีการผลิตเส้นใยแบบต่อเนื่องเป็นครั้งแรกในปี 2014 เมื่อ บริษัท เปิดตัว Mark One ในขณะที่ Mark One ถูกแทนที่ด้วยเครื่องพิมพ์ 3D รุ่นใหม่ แต่เทคโนโลยีก็ยังไม่เปลี่ยน โดยปกติแล้วเครื่องพิมพ์จะมีหัวฉีดสองหัว - อันหนึ่งเพื่อขับไล่เส้นใยพลาสติกและอีกอันหนึ่งเพื่อวางเส้นคาร์บอนไฟเบอร์ในเวลาเดียวกัน
เทคโนโลยีไปตามชื่อต่าง ๆ ด้วยความหลากหลาย ในขณะที่ Markforged เรียกมันว่าการผลิตเส้นใยอย่างต่อเนื่อง (CFF) Anisoprint เริ่มต้นได้ขนานนามว่า Composite Fiber Co-extrusion (CFC)
เป็นตัวอย่างของการประยุกต์ใช้งานจริงของเทคโนโลยีนี้ [MG3] นักดำน้ำที่เป็นนักกีฬา Dmitry Pavlenko ต้องการคันโยกเพื่อควบคุมอัตราเงินเฟ้อของอากาศและปล่อยเพื่อรักษาพยุงและความคล่องแคล่ว เขาเริ่มด้วยการใช้ช้อนเหล็กเป็นคันโยก แต่มันก็หักหลังจากการดำน้ำครั้งที่ 10 คันโยกอีกอันถูกพิมพ์ลงบนเครื่องพิมพ์ Anisoprint Composer 3D จาก PETG (โพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET) ซึ่งดัดแปลงรุ่นไกลคอล (PET) ซึ่งใช้กันทั่วไปในการผลิตขวดน้ำ) และเสริมด้วยคาร์บอนคอมโพสิตเพื่อเพิ่มอายุการใช้งาน ส่วนหนึ่ง Pavlenko เชื่อว่าชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วย Anisoprint จะอยู่รอดได้ 100 ไดฟ์
กระบวนการที่เป็นกรรมสิทธิ์ของ AREVO ของ Silicon Valley นั้นใช้เทคโนโลยี Directed Energy Deposition (DED) ซึ่งใช้เลเซอร์ในการให้ความร้อนกับเส้นใยและคาร์บอนไฟเบอร์ในเวลาเดียวกันกับลูกกลิ้งที่บีบอัดวัสดุทั้งสองเข้าด้วยกัน กระบวนการผลิตเพิ่มเติมนั้นประกอบไปด้วยอัลกอริธึมซอฟต์แวร์ที่จดสิทธิบัตรทำให้สามารถใช้เทคนิคการออกแบบทั่วไปหุ่นยนต์เคลื่อนไหวอิสระสำหรับการก่อสร้าง "3D จริง" และ DED "สำหรับการก่อสร้างที่ปราศจากโมฆะเสมือนจริงทั้งหมดเหมาะสำหรับวัสดุคอมโพสิต anisotropic"
เป็นตัวอย่างของเทคโนโลยีในที่ทำงาน AREVO ผลิตเฟรม unibody เฟรมคาร์บอนไฟเบอร์ที่พิมพ์ 3 มิติสำหรับ e-bikes รุ่นใหม่ที่เรียกว่า EVE9 จาก Pilot Distribution Group BV ซึ่งเป็นผู้นำในการออกแบบและผลิตจักรยาน “ เทคโนโลยีคาร์บอนต่อเนื่องของ AREVO นั้นน่าประทับใจมากเพราะมันเป็นไปได้ในการออกแบบมากมายและให้ความแข็งแกร่งและความทนทานที่ยอดเยี่ยม” Arno Pieterse จาก Pilot กล่าว
ตามแถลงการณ์ในเดือนกันยายนปี 2019 Hemant Bheda ผู้ร่วมก่อตั้งและประธาน AREVO เห็นว่า“ การบังคับใช้ในระยะสั้น (ของเทคโนโลยีนี้) ในพื้นที่อื่น ๆ ของการเคลื่อนไหวในเมืองสีเขียวจากสกูตเตอร์ไฟฟ้าไปยัง e-VTOLs หรือรถยนต์ที่บิน”
Impossible Objects และ EnvisionTEC ได้เพิ่มระบบสำหรับการพิมพ์ไฟเบอร์ 3D อย่างต่อเนื่องในช่วงของเครื่องจักร แม้ว่าเทคโนโลยีจะมีการบิดตัวเนื่องจากพวกมันทอเป็นแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ลงในงานพิมพ์โดยใช้กระบวนการเคลือบ ในส่วนของคอมโพสิตอย่างต่อเนื่อง [MG4] ใช้เทคโนโลยีไฮบริดที่เส้นใยของเส้นใยจะถูกแช่ด้วยเรซิ่นและจากนั้นชุบแข็งโดยใช้แสง UV ซึ่งเป็นกระบวนการที่คล้ายกับการพิมพ์ SLA 3D
9T Labs ในสวิตเซอร์แลนด์ใช้กระบวนการพิมพ์ 3 มิติที่เรียกว่า Additive Fusion Technology (AFT) - การเสริมแรงทำจากวัสดุที่เติมคาร์บอนแทนเส้นใยคาร์บอนบริสุทธิ์
วิธีการที่ใช้คอมโพสิตแบบต่อเนื่องที่ใช้สหรัฐอเมริกาเรียกว่าการพิมพ์แบบต่อเนื่องไฟเบอร์ 3D (CF3D) มันป้อนม้วนคาร์บอนไฟเบอร์แห้งลงในหัวพิมพ์ที่ติดตั้งบนหุ่นยนต์อุตสาหกรรมเจ็ดแกน ด้านในของหัวพิมพ์เส้นใยนั้นถูกเคลือบด้วยเรซิ่น photopolymer ที่บ่มอย่างรวดเร็วและถูกสกัดผ่านเอฟเฟกต์สุดท้ายและรักษาให้หายได้ทันทีด้วยแหล่งพลังงานที่ทรงพลัง
โอกาสทางการตลาด
ขนาดตลาดการพิมพ์ 3 มิติทั่วโลกมีมูลค่า 12 พันล้านเหรียญสหรัฐในปี 2562 และคาดการณ์ว่าจะขยายตัวที่อัตรา CAGR เกิน 14% จาก 2563 ถึง 2570 ซึ่งสอดคล้องกับธนบัตรกุมภาพันธ์ 2563 โดย บริษัท วิจัยการตลาด Grand View Research Inc. โพลิเมอร์ (หรือหลวม ๆ ) พลาสติก) ส่วนแบ่งส่วนแบ่งการตลาดที่สำคัญที่สุดในปี 2019 เมื่อเทียบกับส่วนโลหะและเซรามิก อย่างไรก็ตามส่วนโลหะคาดว่าจะมีส่วนแบ่งการตลาดที่สำคัญที่สุดและยังคงเป็นผู้นำตลาดการพิมพ์ 3 มิติตลอดระยะเวลาคาดการณ์
จากข้อมูลของ Stratview Research การผลิตสารเติมแต่งยังคงอยู่ในช่วงตั้งไข่ภายในอุตสาหกรรมคอมโพสิต ถึงกระนั้นเทคโนโลยียังมีโอกาสมากมายในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่รวมถึงการบินและอวกาศกลาโหมและยานยนต์ ตลาดคอมโพสิตพิมพ์ 3 มิติทั่วโลกได้รับการยอมรับว่าประสบความสำเร็จในระดับ 190 ล้านดอลลาร์ในปี 2567 สอดคล้องกับ Stratview Research บริษัท วิจัยเสริมว่าคาร์บอนไฟเบอร์คาดว่าจะยังคงเป็นกำลังเสริมที่สำคัญที่สุดในตลาดในช่วงระยะเวลาคาดการณ์
บริษัท วิจัยตลาด IDTechEx นั้นมีความแข็งแกร่งมากขึ้น คาดการณ์ว่าตลาดทั่วโลกสำหรับการพิมพ์ 3 มิติคอมโพสิตจะมีมูลค่า 1.7 พันล้านดอลลาร์ภายในปี 2573
ความต้องการสูงสำหรับชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักเบาภายในแอพพลิเคชั่นโครงสร้างเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงหรือลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์คาดว่าจะเป็นตัวขับเคลื่อนการเติบโตชั้นนำของความต้องการเพิ่มขึ้นสำหรับเส้นใยคาร์บอนในอุตสาหกรรมหลักเช่นอวกาศกลาโหมและยานยนต์
ดังที่เห็นได้ชัดจากตัวอย่างข้างต้นการพิมพ์คาร์บอนไฟเบอร์ 3 มิติอย่างต่อเนื่องสามารถผลิตชิ้นส่วนที่มีความแข็งแกร่งความแข็งและความมั่นคงของมิติสูง ชิ้นส่วนเหล่านี้มีน้ำหนักเบามีพื้นผิวที่ดีเยี่ยมและอาจผสมกับวัสดุเทอร์โมพลาสติกหลายประเภท
อย่างไรก็ตามชิ้นส่วนการพิมพ์ 3 มิติด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ยังคงมีราคาแพง แม้ว่าค่าใช้จ่ายคาดว่าจะลดลงเนื่องจาก บริษัท ต่าง ๆ เห็นประโยชน์ของพวกเขามากขึ้น ด้วยปริมาณที่เพิ่มขึ้นการพิมพ์คาร์บอนไฟเบอร์ 3 มิติอาจเป็นไปตามการคาดการณ์ที่มีแนวโน้ม
จากข้อมูลของ Stratview Research การผลิตสารเติมแต่งยังคงอยู่ในช่วงตั้งไข่ภายในอุตสาหกรรมคอมโพสิต ถึงกระนั้นเทคโนโลยียังมีโอกาสมากมายในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่รวมถึงการบินและอวกาศกลาโหมและยานยนต์ ตลาดคอมโพสิตพิมพ์ 3 มิติทั่วโลกได้รับการยอมรับว่าประสบความสำเร็จในระดับ 190 ล้านดอลลาร์ในปี 2567 สอดคล้องกับ Stratview Research บริษัท วิจัยเสริมว่าคาร์บอนไฟเบอร์คาดว่าจะยังคงเป็นกำลังเสริมที่สำคัญที่สุดในตลาดในช่วงระยะเวลาคาดการณ์
บริษัท วิจัยตลาด IDTechEx นั้นมีความแข็งแกร่งมากขึ้น คาดการณ์ว่าตลาดทั่วโลกสำหรับการพิมพ์ 3 มิติคอมโพสิตจะมีมูลค่า 1.7 พันล้านดอลลาร์ภายในปี 2573
ความต้องการสูงสำหรับชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักเบาภายในแอพพลิเคชั่นโครงสร้างเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงหรือลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์คาดว่าจะเป็นตัวขับเคลื่อนการเติบโตชั้นนำของความต้องการเพิ่มขึ้นสำหรับเส้นใยคาร์บอนในอุตสาหกรรมหลักเช่นอวกาศกลาโหมและยานยนต์
ดังที่เห็นได้ชัดจากตัวอย่างข้างต้นการพิมพ์คาร์บอนไฟเบอร์ 3 มิติอย่างต่อเนื่องสามารถผลิตชิ้นส่วนที่มีความแข็งแกร่งความแข็งและความมั่นคงของมิติสูง ชิ้นส่วนเหล่านี้มีน้ำหนักเบามีพื้นผิวที่ดีเยี่ยมและอาจผสมกับวัสดุเทอร์โมพลาสติกหลายประเภท
อย่างไรก็ตามชิ้นส่วนการพิมพ์ 3 มิติด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ยังคงมีราคาแพง แม้ว่าค่าใช้จ่ายคาดว่าจะลดลงเนื่องจาก บริษัท ต่าง ๆ เห็นประโยชน์ของพวกเขามากขึ้น ด้วยปริมาณที่เพิ่มขึ้นการพิมพ์คาร์บอนไฟเบอร์ 3 มิติอาจเป็นไปตามการคาดการณ์ที่มีแนวโน้ม