Kosten verlagen bij continue vezel 3D-printen: innovaties en strategieën

Het DLR Institute of Composite Structures and Adaptive Systems (Braunschweig, Duitsland) is een toonaangevend onderzoeksinstituut voor lichtgewichtconstructie, dat nieuwe technologieën nastreeft in vier strategische velden: ontwerp naar certificering, digitalisering en Industrie 4.0, hergebruik en additieve composietstructuren. CW rapporteerde eerder dit jaar over het EmpowerAX Innovation Lab van het instituut om de overdracht van additieve extrusie naar de industrie voor 3D-geprinte composieten te versnellen, versterken en verbreden. Het instituut voltooit ook een reeks R&D-projecten, waaronder simulatie van additieve extrusie, modificatie van thermoplastieken voor verbeterde prestaties in 3D-printen en productie van printerfilamenten met continue vezel.

Dit laatste project, getiteld ENDLOSEFFEKT ("oneindig effect"), is ontworpen om de producerbaarheid, kwaliteit en kosten van oneindig lange vezel-versterkte materialen te verbeteren. "De beschikbaarheid van pre-geïmpregneerde continue vezel printfilamenten is beperkt," legt Maik Titze uit, verantwoordelijk voor additive manufacturing bij DLR Institute of Composite Structures and Adaptive Systems in Braunschweig. "Deze beperkte beschikbaarheid en variatie in bruikbare materialen, evenals de materialeprijzen, vormen een barrière voor toepassing. We wilden een impregneringsmondstuk ontwerpen zodat dezelfde apparatuur die gebruikt wordt voor standaard, gehakte vezel-gevulde filamenten voor FDM [fused deposition modeling] ook continue vezel-versterkte filamenten kan produceren. Deze apparatuur zou bedoeld zijn voor bedrijven die 3D-printerfilamenten produceren, met als doel de kosten van 3D-printen met continue vezel-versterkte materialen te verlagen."

Momenteel worden de meeste continue vezel-versterkte 3D-printerfilamenten gemaakt door dezelfde bedrijven die continue vezel printmachines verkopen, waarbij elk materiaal is ontwikkeld en geoptimaliseerd voor één specifiek printsysteem. Deze materialen zijn tendenzieel tamelijk kostbaar.

"Ons idee is om te beginnen met elke droge vezelafmeting, bijvoorbeeld 1K koolstofvezel tow tot 50K, en dan directe smeltimpregnerie te gebruiken van commodity thermoplastische pellets of granulaat via extrusie omdat dat zeer kosteneffectief is," zegt Titze. "Je hoeft geen polymere poeder of folies te produceren, noch dure pressen of honderden rollen te gebruiken om impregnatie van de vezel te bereiken. De verwerking wordt dus veel toegankelijker en betaalbaarder."

In plaats van pressen, banden en rollen, bedacht DLR een systeem met ultrasoon. "We gebruiken een 19,5-kilohertz sonotrode die trillingen in de gesmolten thermoplastische die de vezel omringt richt," legt Titze uit. "Deze de matrix en versterking op 19.500 keer per seconde, wat resulteert in zeer goede impregnatie."

Het procespad begint met vezelspreiding en vertering (Fig. 1). Deze versterking wordt vervolgens in een afgedichte kamer gevoerd waarin de gesmolten polymer geïmjecteerd wordt. Terwijl de vezel door deze kamer gaat, bedekt gesmolten hars de vezel. "De vezel en polymer gaan dan naar een ultrasoonkamer, die op 80 millimeter lengte erg klein en compact is," merkt Titze op. "De sonotrode-geëmetteerde trillingen de vezel-versterkte polymer filament, die vervolgens de monding verlaat in welke vorm je ook wilt. Bijvoorbeeld, de monding kan cirkelvormig of plat zijn."

De micrografieken in Fig. 2 tonen 12K koolstofvezel geïmpregneerd met polylactaat (PLA), polyamide (PA) en polyetherimide (PEI) bij 50% vezelvolume. Het vezelvolume is instelbaar (30-50%) via het ontwerp van de monding, zegt Titze. "We geloven dat tot 60% mogelijk zal zijn. Over het algemeen is nog meer werk aan het proces nodig, maar we hebben getoond dat het werkt met goede initiële resultaten en een lijnsnelheid van 5- millimeter/seconde." Hij erkent dat dit langzaam is en niet economisch, maar een nieuw apparatuurontwerp was ingesteld om in juni getest te worden, met als doel al 3 meter/minuut te bereiken.

"Typische snelheden zouden dichter bij 10 meter/minuut liggen," zegt Titze. "Echter, de technologie beoogt ook flexibele productie van nieuwe materiaalcombinaties toe te staan, dus een iets lagere snelheid kan helpen om kleinere productieruns betaalbaar te maken."

Het proces dat DLR heeft ontwikkeld, is niet selectief voor één materiaal – elke vezel of polymer kan worden gebruikt, zegt Titze. "Dit is belangrijk omdat processen steeds meer hybrideren en nieuwe materialen nodig zijn. Materialen voor 3D-printen moeten concurrerender worden, of continue vezel 3D-printen heeft geen grote toekomst. Door thermoplastische pellets of granulaat te gebruiken, kunnen we de kosten aanzienlijk verlagen en past de apparatuur in een kleine installatieruimte, zodat zelfs kleine bedrijven het kunnen implementeren."

DLR Institute of Composite Structures and Adaptive Systems startte dit project in oktober 2019 en zal het in januari 2022 voltooien. "Ons doel is de technologie verder te miniaturiseren en te integreren in een printkop," zegt Titze. "Zo zou dit directe impregnatie inline met het printen zijn. Benaderingen zullen naar de industrie worden overgedragen." Hij legt uit dat DLR als gouvernementele non-profitorganisatie niets zal "verkopen" en daardoor exclusieve rechten. "Ons doel is om printkopleveranciers te betrekken om de materialeprijzen over de hele linie te verlagen en de industriële toepassing van continue vezel additive manufacturing te verbreden."