Het commercialiseren van UV-uithardende thermoharders voor continu 3D-printen met vezels

CF3D-technologie maakt gebruik van snel uithardende thermohardende materialen om hoge kosten, lange doorlooptijden en ontwerpbeperkingen te verminderen. Fotocredits:doorlopende composities

In september 2020 kondigde Continuous Composites, de specialist in continuous fiber 3D-printing (Coeur d'Alene, Idaho, VS) een strategisch partnerschap aan met Arkema (Colombes, Frankrijk), een bedrijf in speciale materialen, via zijn Sartomer-business line, om de gepatenteerde Continuous Fiber 3D-technologie van Continuous Composites te combineren. (CF3D) printtechnologie met Arkema's foto-uithardbare N3xtDimension harsoplossingen. De combinatie zal naar verwachting resulteren in de ontwikkeling, certificering en commercialisering van een bibliotheek van geavanceerde materiaaloplossingen die voldoen aan de behoeften van een breed scala aan toepassingen en industrieën.

Deze formele samenwerking is voortgekomen uit een relatie die voor het eerst begon in 2015, toen Dr. Sumeet Jain, senior director van 3D-printen bij Arkema Worldwide, zich bewust werd van Continuous Composites en een kans zag in het printproces dat het bedrijf aan het ontwikkelen was. Volgens Tyler Alvarado, CEO van Continuous Composites, was de samenwerking natuurlijk:"Hij [Jain] zag de mogelijkheid om foto-uithardbare thermohardende harsen vooruit te helpen, en we zagen dat hij tientallen jaren ervaring had met de polymeren die we gebruikten."

In 2019 hadden de bedrijven een gezamenlijke ontwikkelingsovereenkomst en begin 2020 nam Arkema een aandelenpositie in met Continuous Composites, met het strategische partnerschap dat in september werd aangekondigd. “We zijn enorm enthousiast over de samenwerking en de resultaten die beide teams hebben kunnen behalen. Het is een van die dingen waarbij één plus één gelijk is aan drie, waarbij echt gebruik wordt gemaakt van hun ervaring, niet alleen in de composietenruimte, maar ook in fotocurable thermoharders, "zegt Alvarado.

Overbrugging van foto-uithardbare harsen met 3D-printen met continue vezels

Tegenwoordig heeft het Advanced Materials-segment van Arkema vestigingen die veel materialen omvatten, waaronder thermoharders en thermoplasten, en, binnen composieten, veel processen en toepassingen, waaronder 3D-printen en meer traditionele productieprocessen. De business line van Sartomer richt zich op speciale acrylaten en methacrylaten voor een groot aantal markten en levert al tientallen jaren UV-uithardende materialen in de vorm van coatings, kleefstoffen en 3D-printfilamenten, aldus Jeffrey Klang, Sartomer R&D-directeur voor de wereldwijde 3D-markt. drukkerij.

Als aanvulling op het CF3D-printsysteem, dat een out-of-autoclave (OOA) is, schaalbare 3D-printtechnologie gebaseerd op het gebruik van snap-cure harsen en continue vezels (lees hier een meer gedetailleerde beschrijving:"3D-printcomposieten met continue vezel ”), had Continuous Composites een catalogus van harsen nodig die voldeed aan de hoogwaardige mechanische vereisten van klanten in industrieën variërend van ruimtevaart tot energie tot defensie. "Ons bedrijfsmodel is om machines en de bijbehorende software en harsen te leveren, zodat deze klanten elk onderdeel kunnen produceren dat ze zoeken in hun specifieke industriële toepassing", zegt Alvarado.

Deze behoefte aan hoge mechanische eigenschappen zoals glasovergangstemperaturen (T_g ) en vuur, rook en toxiciteit (FST) leidden tot een focus op thermohardende harsen, hoewel Alvarado opmerkt dat CF3D-technologie ook thermoplasten kan gebruiken. "Onze kerncompetentie is dat we een droge, continue vezel nemen en die vervolgens impregneren met een snel uithardende - in dit geval UV-uithardbare - hars", zegt hij. "We zijn echt gefocust op deze snel uithardende thermohardende benadering waarmee de composietstructuur daar in vrije vorm vorm kan krijgen, waardoor we de anisotrope eigenschappen van de continue vezel kunnen benutten en deze complexe organische geometrieën kunnen creëren die extreem licht en zeer krachtig. We kunnen een composietlaminaat van zeer hoge kwaliteit produceren met een zeer hoog vezelgehalte en een lage porositeit.”

Sartomer's N3xtDimension vloeibare harsen, onderdeel van Arkema's onlangs gelanceerde 3D Printing Solutions by Arkema-platform, in combinatie met structurele vezels variërend van koolstof en glasvezel tot Dyneema en aramides, bleken een ideale match, en de bedrijven werken nu aan de ontwikkeling van een bibliotheek van UV -uithardbare harsen die voldoen aan een reeks vereisten voor mechanische eigenschappen.

Naast de mechanische eigenschappen van de harsen, zorgt het elimineren van de noodzaak van warmteuitharding op de laatste onderdelen, voor twee van de meest innovatieve functies van CF3D:hoge printsnelheden en de mogelijkheid om zonder ondersteuning in de open lucht te printen. "Normaal gesproken, als je een composiet legt, heb je gereedschap/mallen nodig om de lay-up te ondersteunen," zegt Alvarado, "maar omdat we gebruik maken van snap-curing thermoharders die zijn versterkt door een structureel filament, hebben we kunnen dat materiaal uitharden en het kan zijn vorm aannemen zonder dat steunmateriaal.” Dit elimineert de kosten en doorlooptijd die gemoeid zijn met het aanschaffen van matrijzen en gereedschappen, en neemt de ontwerpbeperking weg van het moeten ontwerpen rond gereedschap. "Nu kun je deze vezels in vele richtingen sturen... Door de mogelijkheid om niet-ondersteund te printen, kunnen echt unieke overhanggeometrieën grote gaten overbruggen", zegt hij.

Verder is CF3D "een zeer stabiele machine ... en print aanzienlijk sneller dan traditionele thermoplastische machines", zegt Alvarado. Deze snelheden worden mogelijk gemaakt door de eliminatie van problemen zoals het beheersen van temperatuurgradiënten in het laminaat en kromtrekken (vanwege het gebruik van thermoharders in plaats van thermoplasten), en dat het systeem niet wordt beperkt door een verwarmingsproces (vanwege het gebruik van UV lichtuitharding).

Er zijn twee variabelen voor de afdruksnelheid, voegt hij eraan toe:materiaaluitharding en afdruknauwkeurigheid. “Het probleem zijn niet de harsen; ze genezen op tijd. De machine is het knelpunt”, zegt hij, waarbij hij opmerkt dat robots als bewegingsplatform oorspronkelijk zijn ontworpen voor herhaalde, punt A naar punt B pick-and-place bewegingen, maar niet noodzakelijk voor de nauwkeurigheid die betrokken is bij 3D-printen. “Ons team heeft onze eigen integratie van een CNC-controller ontwikkeld als de onderliggende bewegingsplatformbesturing voor ons 3D-printsysteem, zodat we nauwkeurig en herhaaldelijk door punten kunnen bewegen, waardoor we de snelheid waarmee we printen drastisch kunnen verhogen. nu', zegt hij. Met behulp van de CNC-controller wil Continuous Composites het komende jaar de afdruksnelheid van het systeem tot drie keer verhogen.

Zoals bij elke innovatie, zijn er volgens Sartomer's Klang uitdagingen geweest bij het overbrengen van de UV-uithardende harstechnologie van Sartomer naar beter presterende en structurele toepassingen. Een aandachtsgebied is bijvoorbeeld het vergroten van de temperatuurbestendigheid. "We zitten in de buurt van 230°C", merkt hij op, "wat ons echt in een aantal zeer interessante nieuwe soorten toepassingen brengt."

Jain van Arkema voegt hieraan toe:“Met deze samenwerking werken we van onder naar boven om de manier waarop composieten worden vervaardigd te veranderen. Dit is niet triviaal. We werken al vier jaar samen en we zijn nog maar net begonnen.”