Capillaire-gedreven continue-vezel 3D-printen: doorbraak door University of Delaware onderzoekers

Nieuw onderzoek in continue-vezel 3D-printen toont potentieel voor additief geproduceerde composietonderdelen voor een reeks industrieën —  inclusief ruimtevaart. Gepubliceerd in het academisch tijdschrift Matter, introduceerden onderzoekers van de University of Delaware’s (Newark, Delaware, VS) Center for Composite Materials (CCM) recent een lab-schaal methode voor continue-vezel 3D-printen die robotica en een capillair-gebaseerd, in situ warmte uithardingssysteem incorporeert voor snelle, additief geproduceerde koolstofvezelcomposietonderdelen met hoge-temperatuur thermoharsende harsen.

“We noemen het one-step 3D-printen,” zegt Dr. Kun Fu, assistent professor aan de University of Delaware en auteur van de Studie. Gegnoemd de localized in-plane thermal assisted (LITA) 3D-printmethode, omvat het systeem een all-in-one printhead gemonteerd op een robotarm die bevat koolstofvezel afkomstig van een spoel, een geleidingstaaf, een vloeibare harsmondstuk en een elektrische verwarming. Terwijl de vezel op het onderdeelloppervlak geplaatst wordt, wordt vloeibare hars op de vezels gespoten en wordt direct gevolgd door de verwarming, wat, Fu uitlegt, zowel helpt bij de infusie als in de uitharding van het onderdeel. Fu voegt toe dat het verwarmingsproces de viscositeit van de kamertemperatuur hars verlaagt, wat helpt om het in de vezels te infuseren zonder behoefte aan vacuüm langs capillairen, of buisvormige gaten, tussen de vezels. Afhankelijk van de behoeften en grootte van het geproduceerde onderdeel, zegt Fu, kan de temperatuur van de verwarming verhoogd of verlaagd worden om de viscositeit van de hars te controleren.

Voordelen en toepassingen

Deze methode stelt naar verluidt near-simultane benatting en uitharding van continue vezels met thermoharsende harsen in, met potentieel om snel 3D-composietcomponenten met complexe geometrieën en de hoge mechanische eigenschappen die voortkomen uit continue vezels en hoge-temperatuur thermoharsen te produceren. De onderzoekers hebben ook aangetoond dat het systeem gebruikt kan worden voor horizontale en verticale print, zegt Fu, en op vlakke of gebogen oppervlakken, wat aan de flexibiliteit van het systeem toevoegt.

“De techniek is tot nu toe zeer veelbelovend,” zegt Fu, “en voor zover we weten, zijn we de eersten om een dergelijke techniek te publiceren.” Volgens Fu zijn de onderzoekers in het proces van het verkrijgen van een octrooi voor de technologie.

Daarnaast hebben de University of Delaware en partner KAI (Dallas, Texas, VS) recent een NASA subsidie ontvangen om de LITA 3D-printmethode te gebruiken voor de productie van continue koolstofvezelversterkte composietcomponenten voor thermische beschermingssystemen op NASA ruimtevaartuigen en landersystemen. Fu zegt dat het LITA 3D-printsysteem gekozen is voor zijn vermogen om te printen met hoge-temperatuur harsen.

Momenteel is de technologie alleen gedemonstreerd op kleine schaal – 3K koolstofvezels werden gebruikt voor de studie – maar Fu zegt dat het team werkt aan het opschalen van het robotische systeem om gebruik te mogelijk maken van bredere koolstofvezeltows voor grotere componenten. De onderzoekers zoeken momenteel bedrijven geïnteresseerd in samenwerken aan opschaling en daaropvolgende commercialisering van de technologie.

Om het Matter artikel te raadplegen, ga naar www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520301818.