Toekomst composietproductie: AFP en Additive Manufacturing synergie

"Overprinten" op voorbereide CFRP-oppervlakken en beugels (boven links), hybride processen zoals 3D-printen en filamentwindingen (boven rechts), 3D-printen kernen op AFP-laminaat en AFP-huiden op 3D-geprinte kernen (onder rechts) en CEAD AM Flexbot 3D-printen onder 45 graden (onder links). Foto: TU München, Lehrstuhl für Carbon Composites

In september bijwoonde ik het virtuele symposium "FUTURE COMPOSITE MANUFACTURING – AFP & AM", verwijzend naar geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP) en additieve productie (AM). Dit symposium werd gehosteerd door de Lehrstuhl für Carbon Composites (LCC) aan de Technische Universiteit München (TUM, München, Duitsland). Het evenement omvatte ook TUM's onderzoekspartner Australian National University (ANU, Canberra). Het symposium herziene composiet R&D-mogelijkheden bij zowel TUM als ANU, alsmede voltooide en lopende projecten met industriële partners waaronder AFPT, Airbus, BMW, CEAD, DLR, Fraunhofer, GKN Aerospace, INOMETA, SGL Carbon en Victrex.

TUM samenwerking met ANU begon in 2010 met het AutoCRC-project om gecomprimeerd aardgas (CNG) opslagtanks te ontwikkelen uit thermoplastische composieten. Samen R&D is sindsdien voortgezet, inclusief de vorming van het Australian Research Council's centrum voor Geautomatiseerde Productie van Geavanceerde Composieten (AMAC) en drie grote focusgebieden bij ANU:

• Materialenverbetering
  • Nano-schaal materialen en coatings voor verbetering van functionele eigenschappen van koolstofcomposieten
  • Grafene-verbeterde prepreg-band voor thermische en elektrische geleiding
• Laser-AFP
  • Project met Ford om composiet-versterkte staal te ontwikkelen
  • Digitale controle van verwarmingsbias, bijv. processtabiliteit voor hoeken/3D-geometrieën
• Geavanceerde diagnostiek met röntgen CT

 

Foto: "New Horizons by Merging AFP and AM" door Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler, TUM Symposium Sep 2020.

 

Foto: Klaus Drechsler, TUM Symposium Sep 2020.

Hij besprak de overeenkomsten tussen materiaalextrusie (MEX), het meest voorkomende proces voor 3D-printen van vezelversterkte composieten, en AFP ISC:

• Lokale, terugkerende warmtebehandeling
• Laag-gebaseerd ontwerp & orthotrope materialen eigenschappen
• Materiaalplaatsing langs 2D & 3D geprogrammeerde paden en thermische activering tussen lagen.

Drechsler besprak daarna de toekomstige behoeften voor composieten en hoe het combineren van AFP en MEX oplossingen kan bieden, inclusief op korte termijn in tooling en op langere termijn in hoogpresterende, lichtgewicht structuren die zowel kostenefficiënt als ecologisch duurzaam zijn.

Bij het uiteenzetten van LCC's capaciteiten, gaf Drechsler een overzicht van zijn MEX-apparatuur alsmede verleden en lopende R&D-projecten in additieve productie.

Wat betreft ISC AFP, recente en lopende ontwikkelingen bij LCC omvatten:

• Een vat wikkelhoofd ter ondersteuning van industrialisatie van structuren zoals drukvaten, inclusief waterstofopslagtanks
• Gesloten-lus controle van laserstraalverhitting
• Gebruik van een vloeistof-gekoelde rol voor consolidatie
• Karakterisatie van banden om ISC te optimaliseren.

LCC's ontwikkelingen in MEX en 3D-printen werden verder verkend in meerdere presentaties de komende 2 dagen.

 

CEAD en grootschalig 3D-printen

De volgende presentatie na Drechsler's keynote werd gegeven door Maarten Logtenberg, uitvoerend directeur van CEAD (Delft, Nederland). Opgericht in 2014, heeft CEAD commerciële systemen verkocht gebaseerd op hun Continuous Fiber Additive Manufacturing (CFAM) technologie, zowel als een gantry-gebaseerde ingesloten cel (CFAM Prime) als een robot-gebaseerd systeem (AM Flexbot). LCC bezit het laatste (zie tabel boven) en werkt met LCC aan verschillende projecten (zie CW artikelen over CEAD en hun werk met TUM LCC).

Hoogtepunten uit Logtenberg's presentatie omvatten CEAD's ontwikkeling van hybride oplossingen die CNC-frezen, grote verwarmde printbedden (1,2m x 3m en 1,2m x 2m) en verwarmde draaiende printbedden integreren. Het nastreeft ook nog grotere cellen en 45-graden printen, evenals printen van vezelversterkte tools voor seriële autoclaveproductie van commerciële vliegtuigonderdelen.

Logtenberg merkte op dat een van de belangrijkste uitdagingen voor 3D-geprinte autoclave tools thermische uitrekking is en tools veel groter dan 4 meter neigen te veel uit te rekken (zie "Hybride, grootformaat additieve tooling"), wat het moeilijk maakt om voldoende te compenseren via toolontwerp. De oplossing die hij voorstelt is om de gehakte vezelversterking die meestal tot nu toe wordt gebruikt te vervangen door continue vezel gedeponeerd door systemen zoals AM Flexbot.

Deze weg voorwaarts werd bevestigd in de presentatie, "Inleiding van 3D-geprinte Track Intensifiers voor Composiet Flap Productie" gegeven door Thomas Herkner bij GKN Aerospace in München, Duitsland. Deze 3D-geprinte CFRP intensifiers worden gebruikt als tooling in de productie van CFRP landing flaps voor de Airbus A350 en A330. Hoewel dit succesvolle programma bij GKN gehakte vezelversterking gebruikte, toonde Herkner een roadmap voor verdere ontwikkeling die het gebruik van continue vezel in 3D-geprinte tooling omvatte, evenals, uiteindelijk, in de vliegtuigonderdelen zelf.

Deze weg voorwaarts werd goed uitgelegd door LCC-onderzoeker Patrick Consul in een recente CW blog:

Consul presenteerde ook op het TUM-symposium, kijkend naar procesontwerp voor grootschalige, extrusie-gebaseerde AM. Hij besprak hoe de glas- en fasovergangen hieronder vertegenwoordigen de grootste verandering in materialen eigenschappen van gehakte vezelversterkte pellets die gesmolten en geëxtrudeerd worden in 3D-printsystemen zoals CFAM en AM Flexbot.

 

Consul's werk heeft geanalyseerd hoe MEX-parameters zoals polymer viscositeit en extrusietemperatuur en koppel kristallijnheid in het geprintte composiet beïnvloeden, wat op zijn beurt de mogelijkheid beïnvlaagt om lagen samen te lassen tijdens 3D-printen. Naast deze laag-tot-laag binding, heeft Consul ook vezeluitlijning en residuele spanning in de geprinte lagen verkend. Eén gepresenteerde oplossing was het gebruik van een laser om het substraat tijdens het printen voor te verwarmen – wijd gebruikt vandaag de dag in ISC AFP van thermoplastische composieten – dus, kennis overdragen van AFP naar AM. Initiele experimenten hebben een ring van controleerbare laserdiodes gebruikt.

Consul's collega, Matthias Feuchtgruber, presenteerde later op de dag, voortgaand van procesontwerp en materialenkarakterisering naar het ontwikkelen van een virtuele procesketen voor composieten AM.

Alexander Matschinski presenteerde vervolgens over integratie van eindeloze vezels in composieten AM, presenteerde het onderstaande diagram, dat de basis werd voor het gewijzigde diagram dat ik gebruikte in CW's Next-Gen Supplement artikel over continue vezel 3D-printen. Matschinski besprak ook werk in ontwerp van continue vezel AM structuren en toekomstige ontwikkeling van "overprinten" op voorbereide CFRP-onderdelen en oppervlakken.

Andere interessante toepassingen van continue vezels werden getoond door Dr. Christopher Ebel bij SGL Carbon, waaronder om staal onderbouwstructuren voor auto's te versterken, onderdeelaantal verminderend van 37 naar 9 en gewicht verminderend met 41%. Een ander concept was 3D-wikkelen met towpreg geïmpregneerd met snap-uithardende epoxyhars voor belasting-geoptimaliseerde structuren. Deze digitaal-gedreven benadering begint met vereenvoudiging van complexe belasting en topologie-optimalisatie, gevolgd door geautomatiseerde productie. Resulterende onderdelen kunnen vormsluiting van inserts in structuren benutten, wat belastinginvoering zonder stijfheidsverlies mogelijk maakt. De nieuwste 3D-metalprintprocessen kunnen voor dergelijke inserts gebruikt worden, wat de belastingafhandelings-efficiëntie en kostenreductie verder optimaliseert.

Sebastian Nowotny bij DLR besprak het combineren van 3D-printen met ISC AFP van thermoplastische composieten, inclusief 3D-printen op AFP-laminaat en AFP op gedeeltelijk open 3D-geprinte structuren. Eerste experimenten omvatten 3D-printen een kern op een voorbereide CFRP-huid en dan AFP/bandleggen bovenop de 3D-geprinte kern. Monsters werden gecreëerd en vervolgens getest op trekafschuiving om huid-tot-kern binding te evalueren.

Slideshow Titel

Foto: Sebastian Nowotny, DLR, TUM Symposium Sep 2020

Trek-afschuiftesten van monsters gemaakt met hybride 3D-printen en AFP. Foto: Sebastian Nowotny, DLR, TUM Symposium Sep 2020

Foto: CEAD, TUM Symposium Sep 2020

Toekomstige toepassing van computed tomography tijdens composietproductie. Foto: Australian National University, TUM Symposium Sep 2020

Ontwikkelingswerk met laser AFP om hybride CFRP-metaal structuren te creëren. Foto: Australian National University, TUM Symposium Sep 2020

Grafene-verbeterde prepreg-band voor thermische en elektrische geleiding. Foto: Australian National University, TUM Symposium Sep 2020

Vorige Volgende

Christian Weimer, hoofd materialen voor Airbus Central Research & Technology, besprak continue vezelprinten als deel van de evoluerende technologielandschap, gericht op gewichtsreductie met kostenreductie en verhoogde duurzaamheid die bereikt moeten worden voor composieten om een plek te verzekeren op toekomstige vliegtuigen. Hij benadrukte dat werkelijk efficiënte 3D-composieten moeten emploeyer:

• De juiste grondstoffen en tussenen – vezels, halfabricaten
• Efficiënte processen en interfaces – AM thermoplasten, injectiegieten
• Aangepast ontwerp en dimensionering – integraal, volledig 3D belasting-geoptimaliseerd)
• Oppervlak en functionaliteit – ESN (elektronisch serienummer), SHM (structurele gezondheidsmonitoring)

Hij besprak ook de noodzaak voor bio-gebaseerde vezels en harsen om dringende klimaat- en milieuduursdoelen te halen.

Het TUM-symposium had veel meer presentaties, inclusief samenvattingen van werk bij ANU, en alle waren erg interessant om te laten zien hoe composieten vooruitgaan en hoe de LCC, met partners wereldwijd, blijft verbeelden wat composieten kunnen bereiken en onze industrie vooruit duwt.