Additieve composieten: trends, technologieën en toekomstige richtingen

In oktober 2020 rapporteerde CW over 3D-printen van composieten met continue vezel en bood een overzicht van de ontwikkelde technologieën en een classificatie van de gebruikte processen. De laatste werd bijgedragen door Alexander Matschinski, onderzoeker en expert Additive Manufacturing aan de TU München en de Lehrstuhl für Carbon Composites (LCC, München, Duitsland).

CW werkt opnieuw samen met LCC, maar nu om het bredere landschap van additive composite manufacturing (ACM) te verkennen, met name processen die worden ontwikkeld op het grensvlak tussen conventionele composieten en additive manufacturing (AM). "We zien steeds meer technologieën die buiten onze classificaties voor 3D-printen met continue vezel vallen, maar in plaats daarvan geautomatiseerde composietproductie combineren met AM en nieuwe oplossingen bieden die tot nu toe niet mogelijk waren," merkt LCC-onderzoeker Thomas Wettemann op.

Wat is ACM?

"We voeren deze discussie meestal eerst, evenals de motivatie voor het ontwikkelen van deze nieuwe technologieën," zegt Dr. Swen Zaremba, adjunct-hoofd van LCC. Zoals uitgelegd door Wettemann in een presentatie van SAMPE in januari 2019, is de motivatie kosteneffectieve productie buiten massaproductie – inclusief een lotgrootte van één – die ook hulpbronnen bespaart, afval minimaliseert of elimineert en omgeving- en klimaatvriendelijk is. "Het biedt ook een manier om de composiet-procesketen volledig digitaal te maken," voegt hij toe. "Het is de eerste stap op de weg van decennialange verandering."

Belangrijke componenten van LCC's definitie van ACM omvatten:

• Lange procesketens gereduceerd tot een enkel punt "verwerken in een doos"
• Globale consolidatie/polymerisatie vervangen door lokale materiaalbehandeling en herhaalde warmtebehandeling
• Hulpmiddelloze productie

"ACM concentreert wat vroeger lange verwerkingsketens waren in min of meer een enkel punt, een soort productie in een doos," zegt Zaremba. Aldus Matschinski: "Je verwerkt de materialen en geeft het onderdeel zijn vorm in die doos en zonder vormhulpmiddel." Beiden zijn het erover eens dat de "doos" een zeer grote ACM-cel kan zijn, bijvoorbeeld de SCRAM-cel die Electroimpact (Mukilteo, Washington, VS) in 2020 onthulde. "ACM kan ook buiten een enkele doos worden gebruikt," zegt Zaremba, "bijvoorbeeld ons werk om lokale versterking en kleinere kenmerken toe te voegen aan grotere AFP-onderdelen."

Wettemann wijst erop dat "we nu voorbeelden zien van de hele composiet-procesketen die in een geautomatiseerde lijn of cel zit, maar dit is niet wat we als ACM zouden definiëren." De SCRAM-cel daarentegen heeft de capaciteit om materiaal te verwerken en vorm te geven zonder hulpmiddelen door een in-situ consolidatie (ISC) thermoplastische AFP-kop te combineren met een fused filament fabrication (FFF, een andere term voor FDM) 3D-printkop. "Voor ons was deze in-situ consolidatie met AFP inderdaad het begin van ACM bij LCC, omdat je het gecureerde/geconsolideerde composiet creëert terwijl je plaatst of legt," zegt Zaremba.

Dit brengt ons tot het tweede sleutelpunt in LCC's definitie van ACM. "Vroeger had je altijd een globale consolidatiestap en ideaal dezelfde materiaalbehandeling en -geschiedenis over het onderdeel heen toen het in een autoklaaf, oven, verwarmd hulpmiddel of pers werd gevormd," legt Zaremba uit. "Met ACM voeren we deze warmtebehandeling en consolidatie op lokale basis uit terwijl we het onderdeel bouwen."

Wettemann wijst erop dat ISC een toegangspunt bood van geautomatiseerde composietproductie naar de wereld van AM, "maar dit levert ook echte uitdagingen op voor materialen en verwerking, omdat deze lokale materiaalbehandeling ook een herhaalde warmtebehandeling is. Merk op dat we in het begin alleen injectiegietmaterialen aanpaste voor 3D-printen. Maar dan realiseerden we ons dat het niet echt geoptimaliseerd was voor FFF-printen. Bedrijven begonnen materialen aan te passen voor hun printsystemen om te kunnen omgaan met de herhaalde verhitings- en afkoelcycli van de harsen, en ook de benodigde snelheid en de noodzaak om lagen aan elkaar te laten hechten alsook vervorming te voorkomen. Het laatstgenoemde is ook de reden waarom steeds meer bedrijven continue vezels willen opnemen."

Het integreren van continue vezels creëert echter ook problemen. "Dat is een van de redenen waarom we naar ACM werden getrokken," zegt Zaremba. "3D-printprocessen beloofden veel resultaten, maar de resultaten leverden niet de kwaliteit die we verwachten voor structurele of luchtvaarttoepassingen. We zagen een kloof tussen geavanceerde composieten met continue vezel en wat AM-technologieën kunnen leveren. LCC streeft ernaar deze werelden samen te brengen en het beloofde potentieel te realiseren, maar ook technologieën te combineren om nieuwe oplossingen te bereiken."

Samenvoeging van twee werelden

LCC ziet veel dergelijke nieuwe oplossingen, bijvoorbeeld het Additive Molding-proces ontwikkeld door Arris Composites (Berkeley, Californië, VS) en de Fusion Bonding-cel voor 3D-printen ontwikkeld door 9T Labs (Zürich, Zwitserland), die beide hoogvolumeprocessen zijn. "Geen van deze processen geeft de uiteindelijke vorm van het onderdeel in het additieve proces, maar ze gebruiken een soort vorm en een tweede stap in die vorm," zegt Matschinski. "Dus dit voldoet niet aan onze definitie van ACM. Toch presenteren beide interessante oplossingen die traditionele composietproductie en AM-technologieën combineren."

"9T Labs gebruikt zeker 3D-printers," merkt Wettemann op, "maar om een prevorm te maken die vervolgens in een gedigitaliseerd vormproces wordt verwerkt om lichte thermoplastische composietcomponenten te creëren die volledig nieuw zijn en markten aanspreken die eerder geen composiettechnologie konden gebruiken." Hierbij verwijst hij naar 9T Labs' doel om metalen in onderdelen te vervangen waar injectiegieten niet voldoende prestaties kan leveren. "Bij LCC hebben we ook onderzocht hoe men oneindige vezels kan introduceren in injectiegieten, maar het is best lastig om een nauwkeurige positionering van oneindige vezels in het injectieproces te realiseren." In tegenstelling biedt de technologie van 9T Labs wat een eenvoudig te implementeren productiemethode voor hoogpresterende onderdelen lijkt te zijn.

Arris Composites heeft een andere benadering maar bereikt een enigszins vergelijkbaar doel, hoewel gericht op onderdelenvolumes die een orde van grootte hoger liggen. "We maken niet alleen hoogvolumeproductie van continue vezelonderdelen mogelijk, maar voegen ook multifunctionaliteit toe die dynamische onderdeelconsolidatie ontgrendelt," zegt Riley Reese, medeoprichter en CTO van Arris Composites. "Bijvoorbeeld, we hebben een 17-onderdelen montage omgezet in een enkel onderdeel terwijl we de sterkte verhoogden en eigenschappen zoals radiotransparantie toevoegden. We zijn kostendelig concurrenterend met compressiegieten – bijvoorbeeld SMC [sheet molding compound] – maar met de prestaties van continue vezels."

Directe vs. indirecte ACM

Terugkerend naar LCC's definitie van ACM, erkent het derde sleutelcomponent de discussie over productie met of zonder vormhulpmiddel. "Directe benaderingen zijn waar de uiteindelijke vorm uit de print komt – ik heb nooit een hulpmiddel," zegt Wettemann. "Het voordeel is volledig vrij van hulpmiddelproductie. Zolang we hulpmiddelen hebben, praten we over indirecte processen, of we praten over meer conventionele composietproductie, die dan wordt ondersteund door AM-technologieën."

Wettemann merkt op dat dergelijke hybride benaderingen helpen factoren als consolidatie en hulpmiddelen aan te pakken die de kosten en tijd van traditionele composietproductie verhogen. "We zagen ontwikkelingen door het Digital Manufacturing and Design Centre aan de Singapore University of Technology en door Mikrosam [Prilep, Macedonië] van 2015 tot 2017 waar geautomatiseerde robots werden ontwikkeld om geavanceerde composietonderdelen in een AFP-type proces te produceren maar zonder hulpmiddelen," legt hij uit. "Dit gaat in de richting van ACM omdat beide benaderingen slagen in digitale productie in vrije ruimte zonder hulpmiddel, maar verdere ontwikkeling is nog nodig. Het verminderen van de behoefte aan hulpmiddelen is cruciaal omdat dat ons ook nieuwe mogelijkheden geeft voor zowel het produceren van composietcomponenten als het type componenten dat gemaakt kan worden." Bijvoorbeeld, de zeer organische belastingspaden die voortkomen uit topologie-optimalisering en generatieve design-software nastreven de efficiëntie van biologische structuren zoals bot en bomen, maar zijn met continue vezels heel moeilijk te produceren.

Toekomstige ontwikkelingen bij LCC

"In directe onderdeelproductie zien we hetzelfde als wat je in je landschap toont, dat de lijnen vervagen en we naar een veel meer hybride productiebenadering bewegen," zegt LCC-onderzoeker Patrick Consul (zie "3D-printen CFRP-hulpmiddelen voor RTM flaperon, exoskeletten en meer"). Vroeger dit jaar voltooidde zijn team de eerste proeven van een hybride benadering die materiaalextrusie en directed energy deposition (DED) combineert met een laser-gebaseerd prototypemachine om op pre-geconsolideerde laminaten en zeer grote 3D-prints te printen zonder verwarmde kamer. "We werken ook aan het combineren van ACM met frezen en AFP, wat erg goed past omdat ze allemaal beroep doen op ingewikkelde toolpaden," zegt hij. "De overgang ertussen wordt redelijk eenvoudig en je hebt niet veel extra training nodig." Zo wordt de procesketen verkort, gedigitaliseerd en vereenvoudigd.

LCC duwt de hybride benadering ook door technologieën ontwikkeld voor RTM en 3D-printen te combineren. "Het resultaat is vergelijkbaar met curen op de vlucht, maar we wilden weg van UV-geharde harsen omdat ze een beetje te duur zijn als je grotere onderdelen wilt bouwen," legt Zaremba uit. "In plaats daarvan gebruiken we een nieuwe ultrasonische mengtechniek die we voor RTM ontwikkelden en nu aanpassen voor gebruik in een typische extruder met goedkope, snelle-hardende epoxies die voor de auto-industrie zijn ontwikkeld."

Matschinski verduidelijkt deze technologie verder: "We gebruiken de ultrasonische trilling om de epoxihars direct te mengen en te harden terwijl we de geïmpregneerde vezel tijdens het printen depositieren." Hoe verschilt dit van de ultrasonica die wordt gebruikt door het DLR Institute of Composite Structures and Adaptive Systems in Braunschweig, Duitsland (zie "Kosten verlagen van continue vezel 3D-printmaterialen")? Matschinski verklaart: "DLR gebruikt de ultrasonische trilling om de infiltratie van een thermoplastische matrix in de gespreide vezels te verbeteren om continue vezel-versterkte 3D-printerfilamenten te maken, die vervolgens worden geprint met conventionele materiaalextrusie. We gebruiken ultrasonica voor het harden van een continue vezel-versterkte thermoharsende filament."

"Organisaties zoals Arris Composites, 9T Labs en onze teams hier bij LCC zijn interessant omdat ze wortels en werknemers hebben zowel uit de composietenwereld als uit de AM-wereld," zegt Wettemann. "Ze komen samen om nieuwe technologieën te creëren die nu kunnen helpen ons weg te sturen van een toekomstige economie die potentieel bron- en groeilimieten kent, worstelend met de klimaatcrisis. Ze bieden een pad naar benodigde oplossingen."