Ultra-hoog-vezel 3D-geprinte composieten: 60% vezelinhouden & <1% gaten

“Ons hoofddoel is om structurele continuevezel composieten voor de industrie te produceren,” zegt 9T Labs (Zürich, Zwitserland) mede-oprichter Giovanni Cavolina. “Als je praat met mensen die CFRP (koolstofvezel-versterkte polymer) onderdelen produceren, geloven de meeste niet dat het mogelijk is om super-lage gatengehalte of goede interlaminaire afschuifsterkte (ILSS) tussen lagen te bereiken met continuevezel 3D-printen.” 9T Labs heeft echter een gepatenteerd na-proces ontwikkeld dat gaten elimineert. “We kunnen nu 3D-printen continuevezel composieten met geweldige hechting tussen lagen en gatengehalte onder 1 procent, wat concurreert met conventioneel geproduceerde composieten.”

Begin bij ETH Zürich

9T Labs begon met een onderzoeksproject in het Laboratory of Composite Materials and Adaptive Structures (CMAS) aan de Swiss Federal Institute of Technology Zurich (ETH Zürich). Cavolina en 9T Labs mede-oprichters Martin Eichenhofer en Chester Houwink hadden een composiet printhead ontwikkeld, “die we op een robotarm monteerden en roosterkernen maakten voor ultra-lichte sandwichstructuren, gericht op aerospace-toepassingen,” legt Cavolina uit.

CarbonKit was een beperkt release product dat off-the-shelf FDM printers in staat stelde continue koolstofvezel te gebruiken, maar nog niet de juiste oplossing was voor het produceren van kosteneffectieve, industriële CFRP structurele onderdelen. BRON | 9T Labs.

CarbonKit

Daarom werd 9T Labs begin 2018 opgericht om het concept van 3D-printen van monolithische CFRP laminaten die potentiële klanteisen konden voldoen, te bewijzen. “Onze volgende stap was de CarbonKit,” zegt Cavolina. Dit is het product dat gefeatured wordt in CW's maart 2019 artikel “Moving continuous fiber 3D printing into production”. De CarbonKit transformeert Ultimaker of Prusa 3D-printers in een systeem capabel van printen met continue koolstofvezel. “Het stelt je in staat je bestaande printers te gebruiken in combinatie met onze printhead, filamenten en software om continue vezels te plaatsen, volgens de belastingssituatie, met 50 procent koolstofvezel volume-inhoud — niet 30 procent, wat de norm was in CFRP 3D-printen,” voegt hij toe.

Cavolina legt uit dat ondanks de grote interesse in dit product, “we maar 25 klanten leverden. We hielden dit product beperkt omdat we realiseerden dat met slechts een een-stap FDM [fused deposition modeling] proces, het niet mogelijk is om structurele end-use onderdelen voor industriële aerospace-toepassingen te produceren die ook kosteneffectief zijn met huidige technieken.”

Echter, via de CarbonKit vestigde 9T Labs waardevolle klantrelaties. “We konden leren wat bedrijven verwachtten en nodig hadden, zelfs al waren deze onderdelen eigenlijk niet te produceren met de CarbonKit,” legt hij uit. “In-situ consolidatie is inderdaad mogelijk met FDM, maar zou veel complexere machines vereisen die kostenprohibitief zijn. Dus we produceerden een 2-stap proces met een na-print consolidatie.”

Met Red Series heeft 9T Labs 3D-geprinte CFRP structuren bereikt met >50% vezelvolume en <1% gaten tegen betaalbare kosten vs. huidige composietproductiemethoden. BRON | 9T Labs.

Red Series, 2-stap proces

Dat brengt ons waar 9T Labs vandaag is. “We commercialiseren de Red Series, die uit twee eenheden bestaat: een klassieke FDM print-eenheid met een gepatenteerde printhead en een aangrenzende Fusion Unit voor na-verwerking,” legt Cavolina uit. “We bereiken geen volledige in-situ consolidatie tijdens het printen, maar printen en consolideren in een tweede proces. In essentie printen we een preform die in de Fusion Unit geplaatst wordt voor na-consolidatie met hoge temperatuur en druk om meer dan 50 procent vezelvolume-inhoud te bereiken met minder dan 1 procent gaten. Dit 2-stap proces bereikt aerospace-kwaliteit tegen betaalbare kosten.”

De Red Series gebruikt thermoplastische materialen, voor nu. “We printen koolstofvezel met PEI, PEKK, PA (nylon) en hebben ervaring met PP ook,” zegt Cavolina. Is de Red Series een open-materialen systeem? “De enige manier om kosteneffectief te zijn is om bestaande materialen te gebruiken met een nieuw productieproces,” legt hij uit. “Als je je eigen materiaal vanaf nul bedenkt, sluit je uit om in seriesproductie te gaan. Voor toeleveringsketenbeveiliging en betrouwbaarheidsredenen zullen seriefabrikanten niet vertrouwen op een klein bedrijf voor hun materialen. Dus laten we onze klanten hun bestaande materialenlevering gebruiken, door ervoor te zorgen dat de materialen in ons systeem werken.” Hij legt uit dat 9T Labs de materialen test om ervoor te zorgen dat de feedstock aan bepaalde eisen voldoet en de beste parameters voor printen bepaalt.

Wat met open software? “Onze printsoftware is gecombineerd met een structurele simulatie software,” zegt Cavolina. “Het is geweldig als ingenieur om vezels te plaatsen waar nodig, maar hoe weet je zeker dat dit inderdaad waar ze moeten worden geplaatst? Onze software geeft de vrijheid om te ontwerpen en dan te kruiscontroleren met een structurele simulatie. De andere richting is om een vezel-georiënteerde leging in een structurele simulatie te definiëren en deze dan om te zetten in een printpad in onze software. We gebruiken een bestaande, goed geteste en bekende partner voor de FEA die op de achtergrond draait. Je kunt ook direct een onderdeel in CAD ontwerpen en dat bestand uploaden in ons programma. Daar beslis je waar je de koolstofvezel wilt en waar zuiver polymere voldoende is.”

Deze CFRP beugel en wiparm voor niet-aerospace toepassingen voldoen eigenlijk aan aerospace laminaatvereisten en hebben meer dan 40 lagen — elke laag met een andere vezeloriëntatie om anisotropie te benutten en structurele onderdelen te optimaliseren die eerder niet mogelijk waren. BRON | 9T Labs.

Toepassingen

9T Labs richt zich op aerospace (interieurs, voor nu), biomedisch en industriële automatisering (bijv. verpakkingsmachines), alsook leisure/luxe (bijv. motorsport, sportskoenen, brillen). Deze laatste markt, zegt Cavolina, “is waar je structurele composieten nodig hebt, maar de eisen niet zo streng zijn als in aerospace.” Hij noemt de wiparm hierboven. “Dit is een beugel voor een niet-aerospace structuur die een structurele toepassing vertegenwoordigt die je op een geoptimaliseerde manier kunt produceren met onze technologie,” legt hij uit. “Het komt van een aluminium onderdeel dat topologie-geoptimaliseerd is om gewicht te besparen door koolstofvezels te oriënteren volgens de belastingssituatie. Je kunt kosten besparen omdat je de hoeveelheid koolstofvezel kunt reduceren versus andere composietprocessen. Je kunt het niet op andere manieren maken omdat het niet mogelijk is met andere methoden om elke vezel in hoge resolutie te oriënteren zoals je nodig hebt.”

Vier verschillende continue koolstofvezel legingen worden afwisselend door de dikte van de CFRP beugel geprint met 9T Labs Red Series. BRON | 9T Labs.

Cavolina merkt op dat deze wiparm meer dan 40 lagen vezel en polymere omvat, “en we kunnen een verschillende vezeloriëntaties in elke laag hebben. We probeerden vier verschillende legingen, niet beperkt tot quasi-isotroop. Deze vrijheid stelt ons in staat de anisotropie van composieten te benutten om de end-use structuur verder te optimaliseren. Het zou niet mogelijk zijn om dit met andere huidige productiemethoden te doen.”

Hij wijst er ook op dat 3D-printen van CFRP een geautomatiseerd proces is vergeleken met hand leggen. “Onze technologie reduceert handmatige arbeid drastisch via geautomatiseerde leging,” zegt Cavolina. “Met onze technologie print je gewoon, consoliereer en je bent klaar.”

De Red Series print kleinere, complexe, monolithische CFRP preforms die dan in een tweede stap geconsolideerd worden voor schaalbare industriële seriesproductie. BRON | 9T Labs.

Red Series printgrootte, snelheid en volledige lancering

De Red Series is gericht op kleinere, monolithische onderdelen voor seriesproductie binnen een printarea van 350 millimeter bij 300 millimeter. “Hier zien we op dit moment de hoogste toegevoegde waarde voor onze klanten,” legt Cavolina uit.

Wat met printsnelheid? “We praten op een heel concrete manier over produceren in de komende 1-2 jaar 4.000 tot 8.000 onderdelen per jaar voor verschillende klanten, bereikt met de Red Series twin units,” zegt Cavolina. “Omdat we productie van complexe, gedetailleerde preforms van consolidatie hebben ontkoppeld, is het nu mogelijk om productievolume snel op te schalen.”

“We hebben veel tijd besteed aan het analyseren van de kostenstructuur van ons proces, inclusief apparatuur, arbeids- en materialenkosten,” antwoordt hij. “We hebben een betaalbare apparatuurkostenstructuur en hebben het preformingproces geautomatiseerd. We gebruiken materialen die het meest betaalbaar en efficiënt zijn, en reduceren dan de hoeveelheid benodigde materialen door de vezels te oriënteren per de belastingssituatie en structurele optimalisatie te gebruiken. We werken nauw samen met onze partners in structurele en proces simulatie en zien dat het zal blijven groeien als een groot deel van het productiedoel van het gebruik van digital twin technologie om plug-and-play met 4.0 productielijnen en cellen te mogelijk maken.”

De Red Series zal in 2020 gelanceerd worden. “Nu evalueren we het door onze collaboratieprogramma's met productiepartners. We certificeren de onderdelen en processen met hen, dus ze hebben de eerste slots gereserveerd voor Red Series machines en zullen deze gebruiken om hun end-use producten te produceren.”