Commercieel potentieel van UV-gecureerde thermoharders in continue vezel 3D-printing ontgrendeld

CF3D-technologie gebruikt snap-curing thermohardende materialen om hoge kosten, lange levertijden en ontwerpbeperkingen te reduceren. Foto: Continuous Composites

In september 2020 kondigde continue vezel 3D-print specialist Continuous Composites (Coeur d'Alene, Idaho, VS) een strategische partnership aan met specialiteit materialenbedrijf Arkema (Colombes, Frankrijk) via zijn Sartomer-activiteit, om Continuous Composites' gepatenteerde Continuous Fiber 3D (CF3D) printtechnologie te combineren met Arkema's fotocureerbare N3xtDimension harsoplossingen. De combinatie wordt verwacht te resulteren in de ontwikkeling, certificering en commercialisering van een bibliotheek van geavanceerde materiaaloplossingen die passen bij de behoeften van een breed scala aan toepassingen en industrieën.

Deze formele partnership is uitgegroeid uit een relatie die in 2015 begon, toen Dr. Sumeet Jain, senior director 3D-printing bij Arkema Worldwide, bewust werd van Continuous Composites en een kans zag in het printproces dat het bedrijf ontwikkelde. Volgens Tyler Alvarado, CEO van Continuous Composites, was de partnership natuurlijk: "Hij [Jain] zag de kans om fotocureerbare thermohardende harsen te verbeteren, en wij zagen dat hij decennialange ervaring had met de polymeren die we gebruikten."

In 2019 hadden de bedrijven een gezamenlijke ontwikkelingsovereenkomst, en begin 2020 nam Arkema een aandelenpositie in Continuous Composites, met de strategische partnership aangekondigd in september. "We zijn extreem enthousiast over de partnership en de resultaten die beide teams hebben weten te behalen. Het is een van die dingen waar één plus één drie is, echt benefittend van hun ervaring niet alleen in de composietenruimte maar ook in fotocureerbare thermoharders," zegt Alvarado.

Overbruggen van fotocureerbare harsen met continue vezel 3D-printing

Vandaag heeft Arkema's Advanced Materials segment takken die veel materialen omvatten, inclusief thermoharders en thermoplasten, en binnen composieten veel processen en toepassingen, inclusief 3D-printing alsook meer traditionele productieprocessen. De Sartomer-activiteit richt zich op specialiteit acrylaten en methacrylaten voor een reeks markten, en levert al decennia UV-cureerbare materialen in de vorm van coatings, lijsten en 3D-printfilamenten, volgens Jeffrey Klang, Sartomer R&D-directeur voor het wereldwijde 3D-printteam.

Om het CF3D-printsystem te complementeren, dat een out-of-autoclave (OOA), schaalbare 3D-printtechnologie is gebaseerd op het gebruik van snap-cure harsen en continue vezels (lees een gedetailleerdere beschrijving hier: "3D-printen van composieten met continue vezel"), had Continuous Composites een catalogus van harsen nodig die voldeden aan de hoge mechanische eisen van klanten in industrieën variërend van luchtvaart tot energie tot defensie. "Ons bedrijfsmodel is om machines, en hun bijbehorende software en harsen, te leveren om deze klanten in staat te stellen om welk component ze ook nastreven in hun specifieke industrie-toepassing te produceren," zegt Alvarado.

Deze behoefte aan hoge mechanische eigenschappen zoals glasovergangstemperaturen (Tg) en brand, rook en toxiciteit (FST) leidde 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 deze dan impregneren met een snap-curing – in dit geval UV-cureerbare – hars," zegt hij. "We zijn echt gericht op deze snap-curing thermohardende benadering die de composietstructuur de vorm laat aannemen daar in vrije vorm, wat ons in staat stelt de anisotrope eigenschappen van de continue vezel te benutten, en deze complexe organische geometrieën te creëren die extreem licht en erg sterk zijn. We kunnen een erg hoogwaardig composietlaminaat produceren met zeer hoog vezelgehalte en lage porositeit."

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

Naast de mechanische eigenschappen van de harsen, elimineert het afschaffen van de behoefte aan warmtecurering op de eindonderdelen twee van CF3D's meest innovatieve kenmerken: snelle printsnelheden, en de mogelijkheid om ongeïnstalleerd in open lucht te printen. "Normaal gesproken, wanneer je een composiet legt, heb je tooling/mallen nodig om de leging te ondersteunen," zegt Alvarado, "maar omdat we snap-curing thermoharders gebruiken die versterkt worden door een structureel filament, kunnen we dat materiaal harden en het kan zijn vorm aannemen zonder dat ondersteuningsmateriaal. Dit elimineert de kosten en levertijd betrokken bij het verkrijgen van malen en tooling, en verwijdert de ontwerpbeperking van het moeten ontwerpen rondom tooling. Nu kun je deze vezels in veel richtingen sturen... De mogelijkheid om ongeïnstalleerd te printen stelt unieke overhanggeometrieën in staat om grote spannen te overbruggen," zegt hij.

Verder is CF3D "een erg stabiele machine... en print significant sneller dan traditionele thermoplastische machines," aldus Alvarado. Deze snelheden worden mogelijk gemaakt door de eliminatie van problemen zoals het managen van temperatuursgradiënten binnen het laminaat en vervorming (vanwege het gebruik van thermoharders boven thermoplasten), en dat het systeem niet beperkt wordt door een verwarmingsproces (vanwege het gebruik van UV-licht curing).

Er zijn twee variabelen voor printsnelheid, voegt hij toe: materiaalcuring en printnauwkeurigheid. "Het probleem is niet de harsen; ze curen in tijd. De machine is de knelpunt," zegt hij, noterend dat robots als beweegplatform oorspronkelijk ontworpen waren voor herhaalde, punt A naar punt B pick-and-place bewegingen maar niet noodzakelijk voor de nauwkeurigheid betrokken bij 3D-printen. "Ons team heeft eigenlijk onze eigen integratie van een CNC-controller als de onderliggende beweegplatformcontrole voor ons 3D-printsysteem ontwikkeld, zodat we door punten kunnen bewegen nauwkeurig en herhaaldelijk, wat ons in staat stelt de snelheid waarmee we nu printen drastisch te verhogen," zegt hij. Met de CNC-controller plannet Continuous Composites de printsnelheid van het systeem over het komende jaar tot drie keer te verhogen.

Zoals bij elke innovatie, zijn er uitdagingen geassocieerd met het overbrengen van Sartomer's UV-cureerbare harsentechnologie naar hogere prestaties en structurele toepassingen, volgens Sartomer's Klang. Een gebied van focus is bijvoorbeeld het verhogen van de temperatuurbestendigheid. "We zijn bij bijna 230°C," merkt hij op, "wat ons in sommige zeer interessante nieuwe typen toepassingen brengt."

Arkema's Jain voegt toe: "Met deze partnership werken we van de basis op, om de manier te veranderen waarop composieten geproduceerd worden. Dit is niet triviaal. We werken al vier jaar samen, en we zijn net begonnen."