Additieve Productie Revolusioneren: Grootschalige Vezelversterkte Thermohars Print

Magnum Venus Products (MVP), een toonaangevende fabrikant van composietapplicatieapparatuur, begon in 2017 met werken aan zijn Reactive Additive Manufacturing (RAM) machine. Datzelfde jaar begon Polynt, een leverancier van thermohars polymeren, gelcoats en SMC, met werken aan Oak Ridge National Laboratory (ORNL) om een reactief materiaal te ontwikkelen voor gebruik in het RAM-systeem. Op CAMX 2018 (15-18 okt, 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 bijwoonde een lanceringsevenement waar deze drie partners de werelds eerste grootschalige thermohars composiet additieve productiesysteem demonstreren bij het Dept. of Energy's (DOE) Manufacturing Demonstration Facility (MDF) bij ORNL.

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

Reactive Additive Manufacturing (RAM)

Hoewel technologie ontwikkeld is die 3D-printen met UV-hardende thermoharsen mogelijk maakt, vormen RAM en Polynt Reactive Deposition PRD-1520 printmedia het eerste grootschalige systeem — huidige bouwomhulsel is 8 voet bij 16 voet bij 3,5 voet — dat een reactieve hars gebruikt die hardt bij kamertemperatuur zonder UV-activering. Deze technologie is gericht op goedkope gereedschappen, thermoforming tools en autoclave moulds, alsook een breder scala aan toepassingen. "RAM levert sterkere, meer energie-efficiënte producten met verbeterde thermische eigenschappen," legde MVP CEP Bob Vanderhoff uit.

Het RAM-systeem omvat het grote printplatform en een vloermontage MVP pompsysteem, met alleen de printkop gemonteerd op de computer-gecontroleerde gantry. Het pompsysteem meet en doseert nauwkeurig de korte glasvezel-versterkte vinylesterhars en peroxide-initiatior in een statische menger in de printkop. De gemengde hars wordt vervolgens geëxtrudeerd door een mondstuk, vergelijkbaar met de meeste fused deposition modeling (FDM) systemen. "Met een 1,2-millimeter diameter mondstuk, is printsnelheid ongeveer 1,2 meter/seconde," zei John Lindahl, ORNL technisch lead voor thermohars polymeren/composieten in additieve productie (A.M.). "RAM kan FDM-schaal features bereiken terwijl nog een hoge output van bijna 7 kg/uur (15 lb/uur) levert."

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

Het bouwplatform is modulair, gemaakt uit acht segmenten. "Elk van deze is gemakkelijk verwijderbaar en indexeerbaar," merkt Vlastimil Kunc, ORNL manufacturing science groepsleider op. "Ik kan deze met mijn vingers verplaatsen, dus je kunt er een uittrekken en vervangen door een ander als je het wilt na-harden of bewerken." Dit modulariseert het proces zodat het geschaald kan worden voor hoog-volume delenproductie. "We hebben ook geïntegreerde pick-and-place robot capaciteit in RAM om sensoren, thermocouples, RFID tags en verwarmingselementen in te sluiten, naar behoefte," voegt hij toe.

"RAM is ook uitgerust met infraroodcamera's en optische sensoren om exotherm en temperatuur tijdens de build te monitoren," merkt Lindahl op. "We hebben een 1D thermo-chemo-rheologisch model ontwikkeld dat we gebruiken met een semi-oneindige muur, wat de moeilijkste feature is om te bouwen met deze materialen. Het model vertelt ons, gebaseerd op print hars en reactie, welke laagtijd je nodig hebt, hoe snel je kunt printen (volumetrische output) en hoe heet het zal exothermeren. Al dit leidt ons in het optimaliseren van RAM printparameters en het volledig begrijpen van het viscoelastische gedrag van de geprint hars tijdens gel, harder en volledig voltooide print."

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

Polynt Reactive Deposition (PRD-1520) voor efficiëntie

PRD-1520 is een pre-gepromote, pre-gecompoundeerde onverzadigde vinylesterhars ontworpen met een hoge viscositeit (2,5-3,0 miljoen cPs) voor pompen en 3D-printen. Het was ontworpen voor gebruik in de MVP RAM printer, met lage krimp en een hittevervormingstemperatuur (HDT) van 94°C/201°F en een glasovergangstemperatuur van 107°C/225°F. Dit vergeleken met een HDT van 56°C, 88-98°C en 110°C voor PLA, ABS en nylon, respectievelijk, volgens 3D-printfilamentleveranciers. "Echter, PRD-1520's patent-pending chemie stelt chemische binding tussen de geprint lagen in, wat de eigenschappen van 3D-geprinte structuren verhoogt, inclusief 2 tot 4 keer grotere z-richting sterkte vergeleken met thermoplasten," legde Polynt R&D directeur Steve Voeks uit. Hij noteerde ook de hars' lange open tijd (geltijd van 20-25 minuten), "wat het mogelijk maakt om grote structuren te printen met starts en stops en lange intervallen tussen lagen." Deze capaciteit om op eerdere gedeponeerde nog zachte materialen te printen, verhoogt de toolpadvrijheid aanzienlijk.

"De toolpadontwikkeling die we gedaan hebben is uniek voor thermohars materialen," legde Lindahl uit. "We kunnen heel efficiënte structuren printen door te beginnen met een sparse infill en dat dan te toppen met een nul-void laag. We beginnen met afwisselende 0°/90° lagen en dan naar 0° en 90° printpaden in een enkele, overgangslaag die dan getopt wordt met een solide printlaag. Dit stelt je in staat om grote oppervlakken te printen terwijl printmateriaal, gewicht, printtijd en kosten significant verminderd worden." Een technisch paper dat deze technologie uitlegt, zal gepresenteerd worden door ORNL post-doctoraal onderzoeker Chris Hershey op CAMX 2019 op donderdag 26 sep om 10:00 uur. "Large-Scale Reactive Extrusion Deposition of Sparse Infill Structures with Solid Perimeters" heeft al de CAMX 2019 Outstanding Technical Paper en best paper in de Additive Manufacturing conferentietrack gewonnen.

"Met PRD-1520 is RAM momenteel de meest energie-efficiënte 3D-printer voor polymere en composietmaterialen," zegt Lindahl. Opvallend is dat het thermoharsmateriaal geen verwarmde tafel of kamer vereist. Ook niet nodig is de warmte die normaal vereist is om thermoplastische pellets te smelten.

"We hebben een wederzijds voordelige samenwerking met Polynt en MVP gehad naar next-generation reactieve polymere additieve productie," zei Bill Peter, MDF Directeur. "Met de steun van DOE's Advanced Manufacturing Office, plannen we fundamenteel onderzoek voort te zetten om deze technologie te verbeteren en de onderliggende wetenschap beter te begrijpen terwijl we verder energie-efficiënte processen en toepassingen demonstreren met onze industriepartners."

Om meer te leren, bezoek MVP in stand G2 en ORNL in stand S25 op CAMX 2019 (23-26 sep, Anaheim, CA) of contacteer Hannah Jay bij MVP, Rick Pauer bij Polynt of Jennifer Burke bij ORNL.