Additive manufacturing opnieuw uitgevonden:grootschalige, vezelversterkte thermoset printen

Magnum Venus Products (MVP), een toonaangevende fabrikant van apparatuur voor het aanbrengen van composieten, begon in 2017 te werken aan zijn Reactive Additive Manufacturing (RAM) -machine. Datzelfde jaar begon Polynt, een leverancier van thermohardende polymeren, gelcoats en SMC, te werken met Oak Ridge National Laboratory (ORNL) om een ​​reactief materiaal te ontwikkelen voor gebruik in het RAM-systeem. Tegen CAMX 2018 (15-18 oktober, Dallas, TX) werden de inspanningen van het team erkend met de ACE Infinite Possibility Award voor zijn Large Area 3D Printer for Thermoset Materials. Deze week CW woonden een lanceringsevenement bij waar deze drie partners 's werelds eerste grootschalige additieve fabricagesysteem voor thermohardende composieten demonstreerden in de Dept. of Energy (DOE) Manufacturing Demonstration Facility (MDF) bij ORNL.

MVP's Reactive Additive Manufacturing (RAM) machine en Polynt Reactive Deposition PRD-1520 printmateriaal worden gedemonstreerd in Oak Ridge National Laboratory (ORNL). BRON | CW

Reactive Additive Manufacturing (RAM)

Hoewel er technologie is ontwikkeld die 3D-printen met UV-uithardende thermoharders mogelijk maakt, vormen RAM en Polynt Reactive Deposition PRD-1520 printmedia het eerste grootschalige systeem - de huidige gebouwde envelop is 8 voet bij 16 voet bij 3,5 voet - om een ​​reactieve hars te gebruiken dat uithardt bij omgevingstemperatuur zonder UV-activering. Deze technologie is gericht op goedkope armaturen, thermovormgereedschappen en autoclaafmatrijzen, evenals op een breder scala aan toepassingen. "RAM levert sterkere, energiezuinigere producten met verbeterde thermische eigenschappen", legt MVP CEP Bob Vanderhoff uit.

Het RAM-systeem omvat het grote printplatform en een op de vloer gemonteerd MVP-pompsysteem, waarbij alleen de printkop op het computergestuurde portaal is gemonteerd. Het pompsysteem meet en doseert nauwkeurig de korte glasvezelversterkte vinylesterhars en peroxide-initiator in een statische mixer in de printkop. De gemengde hars wordt vervolgens geëxtrudeerd door een mondstuk, vergelijkbaar met de meeste fused deposition modelling (FDM) -systemen. "Met een mondstuk met een diameter van 1,2 millimeter is de afdruksnelheid ongeveer 1,2 meter/seconde", zegt John Lindahl, technisch leider van ORNL voor thermohardende polymeren/composieten in additive manufacturing (A.M.). "RAM kan functies op FDM-schaal bereiken en toch een hoge output leveren van bijna 7 kg/uur (15 lb/uur)."

BRON | https://www.mvpind.com/3d-printer/

Het bouwplatform is modulair opgebouwd uit acht segmenten. "Elk van deze kan gemakkelijk worden verwijderd en geïndexeerd ”, merkt Vlastimil Kunc op, leider van de ORNL-groep voor productiewetenschap. "Ik kan deze met alleen mijn vingers verplaatsen, dus je kunt er een uittrekken en vervangen door een andere als je het wilt naharden of machinaal wilt bewerken." Dit maakt het proces vervolgens modulair, zodat het kan worden opgeschaald voor de productie van grote hoeveelheden onderdelen. “We hebben ook een geïntegreerde pick-and-place robot mogelijkheid in RAM om bijvoorbeeld sensoren, thermokoppels, RFID-tags en verwarmingselementen in te bedden, indien nodig”, voegt hij eraan toe.

"RAM is ook uitgerust met infraroodcamera's en optische sensoren om exotherm en temperatuur tijdens de bouw te bewaken", merkt Lindahl op. "We hebben een 1D thermo-chemo-reologisch model ontwikkeld dat we gebruiken met een semi-oneindige muur, wat de moeilijkste eigenschap is om met deze materialen te bouwen. Het model vertelt ons, op basis van printhars en reactie, welke laagtijd je nodig hebt, hoe snel je kunt printen (volumetrische output) en hoe heet het exotherm zal zijn. Dit alles helpt ons bij het optimaliseren van RAM-afdrukparameters en volledig inzicht in het visco-elastische gedrag van de geprinte hars tijdens gel, uitharding en volledig voltooide print. "

De RAM-printer is uitgerust met infraroodcamera's en optische sensoren die exotherm en conformiteit met geoptimaliseerde parameters bewaken, zoals gedefinieerd door ORNL's thermo-chemo-rheologische model. BRON | CW

Polynt Reactive Deposition (PRD-1520) voor efficiëntie

PRD-1520 is een vooraf gepromote, voorgecompoundeerde onverzadigde vinylesterhars, ontworpen met een hoge viscositeit (2,5-3,0 miljoen cP's) voor pompen en 3D-printen. Het is ontworpen voor gebruik in de MVP RAM-printer, met een lage krimp en een warmtedeflectietemperatuur (HDT) van 94°C/201°F en een glasovergangstemperatuur van 107°C/225°F. Dit wordt vergeleken met een HDT van 56°C, 88-98°C en 110°C voor respectievelijk PLA, ABS en nylon, volgens leveranciers van 3D-printfilament. "De chemie van PRD-1520, waarvoor patent is aangevraagd, maakt echter chemische binding tussen de afgedrukte lagen mogelijk , dat de eigenschappen van 3D-geprinte structuren verbetert, inclusief 2 tot 4 keer grotere sterkte in de z-richting in vergelijking met thermoplasten”, legt Polynt R&D-directeur Steve Voeks uit. Hij merkte ook de lange open tijd van de hars op (geltijd van 20-25 minuten), "die het mogelijk maakt om grote structuren te printen met starts en stops en lange intervallen tussen de lagen." Deze mogelijkheid om te printen op eerder gedeponeerde maar nog steeds zachte materialen vergroot de vrijheid van het gereedschapspad aanzienlijk.

"De ontwikkeling van het gereedschapspad die we hebben gedaan, is uniek voor thermohardende materialen", legt Lindahl uit. "We kunnen zeer efficiënte structuren printen door te beginnen met een dunne infill en die vervolgens te vullen met een zero-void laag . We beginnen met afwisselende 0°/90°-lagen en vervolgens naar 0° en 90° printpaden in een enkele overgangslaag die vervolgens wordt bedekt met een effen printlaag. Hierdoor kunt u grote oppervlakken printen terwijl aanzienlijk minder printmateriaal evenals gewicht, printtijd en kosten.” Een technische paper waarin deze technologie wordt uitgelegd, zal worden gepresenteerd door ORNL postdoctoraal onderzoeker Chris Hershey op CAMX 2019 op donderdag 26 september om 10:00 uur. "Grootschalige reactieve extrusieafzetting van dunne infill-structuren met solide perimeters" is al bekroond met CAMX 2019 Outstanding Technical Paper en beste papier in de Additive Manufacturing-conferentietrack.

“Met behulp van PRD-1520 is RAM momenteel de meest energiezuinige 3D-printer voor polymeer- en composietmaterialen”, zegt Lindahl. Het thermohardende materiaal vereist met name geen verwarmde tafel of kamer. Ook is de warmte die normaal nodig is om thermoplastische pellets te smelten niet nodig.

"We hebben genoten van een wederzijds voordelige samenwerking met Polynt en MVP op zoek naar de volgende generatie reactieve polymeeradditievenproductie", zegt Bill Peter, MDF-directeur. "Met de steun van DOE's Advanced Manufacturing Office zijn we van plan om fundamenteel onderzoek voort te zetten om deze technologie te verbeteren en de onderliggende wetenschap beter te begrijpen, terwijl we verdere energie-efficiënte processen en toepassingen demonstreren met onze industriële partners."

Bezoek voor meer informatie MVP in stand G2 en ORNL in stand S25 op CAMX 2019 (23-26 september, Anaheim, CA) of neem contact op met Hannah Jay op MVP, Rick Pauer op Polynt of Jennifer Burke op ORNL.