Pionieren in Anisotrope Composiet 3D-printen voor Geavanceerde Additive Manufacturing

Opgericht in 2014 door CEO Fedor Antonov, is Anisoprint (Esch-sur-Alzette, Luxemburg) een van het groeiende aantal technologiebedrijven die 3D-printen van composieten met continue vezel vooruitbrengen. Het wil echter liever bekend zijn als een pionier in het verplaatsen van additive manufacturing (AM) van metalen naar composieten.

"De richtingsgebonden eigenschappen van composieten zijn een voordeel, geen nadeel," zegt Antonov. "Unidirectionele koolstofvezelcomposieten zijn sterker en lichter dan metalen. Conventionele productie en metaal-gebaseerde AM beschouwen composieten's richtingsgebonden anisotropie als een nadeel dat gemitigeerd moet worden. Maar Anisoprint's benadering exploiteert deze anisotropie, vezels oriënterend en plaatsend om precies te voldoen aan structurele belasting, het onderdeelgewicht significant reducerend terwijl hoge sterkte en stijfheid behouden blijven."

Efficiëntere composieten mogelijk maken

Antonov wijst erop dat conventionele composietproductie typisch praktijken uit de metaalindustrie heeft gebruikt, inclusief quasi-isotrope laminaten, gaten boren en mechanische bevestigingsmiddelen. "Deze ontkrachten de gewichts- en prestatievoordelen van composieten," zegt Antonov. "Anisoprinting technologie biedt een veel snellere en flexibelere, geautomatiseerde methode voor productie." Het biedt ook een manier om de efficiëntere structuren te bereiken die nu worden uitgevoerd door topologie-optimalisatie en generatief ontwerp software.

"Natuurs meest efficiënte structuren, zoals bomen en botten, exploiteren richtingsgebonden eigenschappen, belastingdragend materiaal primair langs belastingspaden oriënterend," stelt Antonov. Echter, deze typen topologie-geoptimaliseerde structuren zijn moeilijk te produceren. Bijvoorbeeld, roosterstructuren die sterke en lichte payload fairing adapters voor ruimtevaartuigen mogelijk maakten, worden typisch geproduceerd met filament winding. Echter, een topologie-geoptimaliseerde versie, die een extra 30% gewichtsbesparing biedt, is niet meer makkelijk te produceren met conventionele composietprocessen, noch met meer recente geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP).

"Conventionele anisogrid filament gewonden structuren worden bereikt met golven in de tooling, en relatief lage vezelvolume fractie in de ribben stelt het kruisen ervan mogelijk," zegt Antonov. "Deze typen anisogrid structuren waren ons oorspronkelijke doel. Maar dit werkt niet met AFP omdat je vezelvolume inhoud altijd constant is, en ribben kruisen zonder de vezels te snijden of lokale diktevariaties is niet mogelijk."

(Let op: Voor meer studie over dit onderwerp, zie https://www.researchgate.net/publication/321081593_Anisogrid_Payload_Adaptor_Structure_for_Vega_Launcher)

Vezelsturing

Vezelsturing is een techniek die momenteel toegepast wordt op composietproductie met AFP waarmee vezels in curviligne paden aangebracht kunnen worden - AFP heeft traditioneel rechte lineaire paden gebruikt. Vezelsturing stelt het vezelpad, en dus de mechanische respons van het composietpaneel, in staat om geoptimaliseerd te worden om hogere prestaties te vertonen dan met conventionele laminaten. In één voorbeeld produceert deze benadering een composiet substratepaneel voor een ruimtevaartuig zonnepaneelarray dat een 44% hogere eerste natuurlijke frequentie heeft (minimaliseert amplitude van trillingen en stelt snellere demping mogelijk) dan een equivalent conventioneel paneel met rechte vezelpaden en dezelfde massa. Alternatief kan een lager gewicht paneel bereikt worden voor dezelfde frequentieprestatie.

Vezelsturing maakt het ontwerp en de productie van onderdelen mogelijk zoals structurele panelen voor satellieten of hoog-snelheid machinecomponenten met een erg hoge prestatie. Het is een herhaalbaar proces, dat een hoge en consistente kwaliteit bereikt en innovatieve nieuwe ontwerpen mogelijk maakt. Het kan ook gebruikt worden om gewicht te reduceren voor hetzelfde geometrische ontwerp. BRON | "Fibre-Steering technology for advanced composite panels" (originele link is hier gegeven maar niet meer beschikbaar via esa-tec server: https://www.esa-tec.eu/space-technologies/from-space/fibre-steering-technology-for-advanced-composite-panels/)

"Anisoprinting is een combinatie van roosterstructuren en vezelsturing die gebruikt wordt om topologie-geoptimaliseerde onderdelen te bereiken," zegt Antonov. "Dit is een sleuteltechnologie voor geprinte composieten. Bijvoorbeeld, Hoe bouw je een rumpf paneel voor een commercieel vliegtuig dat uithollingen of gaten heeft?

Hij geeft drie verschillende technieken, die gebruikt worden om composietmonsters van dezelfde dikte en gewicht te produceren, elk met CNC gemachineerde gaten (zie onderstaande tabel). Hij merkt op dat bij drukproeven, het monster gemaakt met vezelsturing een uiteindelijke druklast heeft die tweemaal zo hoog is als een quasi-isotroop composiet ("zwart aluminium") en 30% hoger versus een constante stijfheid UD laminaat. "Dus vezelsturing is een krachtig instrument," zegt Antonov. "Anisoprinting zal bewegen naar AFP vezelsturing naarmate we vezelvolume en productiviteit verhogen, en AFP zal naar ons toe bewegen met meer flexibiliteit."

De "flexibiliteit" waar Anotov naar verwijst is een maat voor hoeveel het mogelijk is om een vezel langs elk pad in driedimensionale ruimte te plaatsen. Arevo, een ander bedrijf dat continue vezel 3D-printen commercialiseert, claimt dat het dit type flexibiliteit heeft. "Arevo's technologie is niet erg anders vergeleken met AFP-bedrijven zoals Coriolis, Automated Dynamics, Electroimpact, etc.," zegt Antonov. "Ze hebben het slechts geminiaturiseerd en in plaats van een dunne en brede band te gebruiken, gebruiken ze een dikke en smalle met een laser AFP kop. Het is allemaal hetzelfde." Let op dat Arevo's 3D-printtechnologie van het begin af robot-gebaseerd is. Hoe zal Anisoprint's technologie veranderen naarmate het naar robotplatformen beweegt?

Voorbeeld van een Anisoprint 3D-geprinte composietmonster met vezelsturing.

Anisoprint's geschiedenis en TS-TP aanpak

Antonov en zijn medeoprichters (Andrey Azarov, Alexey Khaziev, Mikhail Golubev en Zafer Gürdal) waren aan een nieuwe universiteit in het westelijke deel van Moskou genaamd Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech), die in 2011 opgericht werd. In 2014 werkte Antonov aan het bouwen van Skoltech's nieuwe centrum voor composietentechnologie en begon met het ontwikkelen van 3D-printen. De directeur van het composietencentrum op dat moment was Zafer Gürdal, die in 2015 vertrok, terugkerend naar het McNair Center aan de University of South Carolina. Het laatstgenoemde is nu bekend om zijn R&D in composieten en continue vezel 3D-printen.

"We besloten af te splitsen van Skoltech toen Zafer Gürdal vertrok," legt Antonov uit. "We hadden een prototype CFC printkop ontwikkeld zomer 2015. Ons volgende doel was een desktop printer te ontwikkelen."

Anisoprint introduceerde zijn Composer desktop printer in 2017. Vergelijkbaar met Markforged continue vezel printers, gebruikt Anisoprint's Composer twee printkoppen: een voor de continue vezelversterking en een voor de plastische matrix. Behuist in een glazen printkamer, kan Composer's glas printbed worden opgeverwarmd tot 120°C, wat effecten van krimp minimaliseert. Momenteel is het beschikbaar in twee formaten:

• A3 (420 bij 297 bij 210 millimeters)
• A4 (297 bij 210 bij 147 millimeters)

Met een standaard kraanopening van 0,4 millimeters, is Composer's printsnelheid aangegeven als 10-80 millimeters/seconde onversterkt en 1-20 millimeters/seconde met continue vezelversterking. Anisoprint kan veel kunststoffen extruderen inclusief PLA, PETG, ABS, nylon en PC. Het kan deze versterken met zijn composiet koolstofvezel (CCF) materialen en onlangs een composiet basaltvezel (CBF) printmateriaal gelanceerd.

Echter, Anisoprint is heel anders van andere continue vezel 3D-printtechnologieën omdat het eerst continue vezelversterking impregneert met een thermoset polymeer en dit dan extrudeert in de gesmolten thermoplastische filament tijdens het printen. "Deze twee-matrix aanpak zorgt voor lage porositeit, goede hechting van vezel aan polymeer en uitstekende mechanische eigenschappen," stelt Antonov.

Hij gaat door, "De uitvinder van de filament gewonden anisogrid voor de Proton M launcher payload adaptor, V.V. Vasiliev, die in ons raad van adviseurs zit, toonde eigenlijk aan dat dit idee van het gebruik van dual-matrix thermoset-thermoplastisch (TS-TP) materialen voordelen heeft over het gebruik van een enkele thermoset of thermoplastische matrix. Thermoset matrix materialen hebben issues met broosheid, zodat de matrix veel eerder begint te kraken dan de vezel faalt. Vasiliev bewies dat hij dit kon mitigeren met de dual matrix aanpak."

De thermoset die Anisoprint gebruikt is een multi-component epoly en de eind geprinte laminaten hebben een vezelinhoud van tot 45% zoals getest door de Technische Universiteit van München (TUM).

Anisoprint's gepatenteerde aanbiedingen omvatten:

Composite Fiber Co-extrusion (CFC) technologie voor additive manufacturing met verschillende thermoplastische polymeren versterkt met continue vezels (bijv., koolstof, basalt) die geconsolideerd en uitgehard worden in een geautomatiseerde, eentrapsproces dat noch tooling noch na-verwerking vereist.

Aura slicer software die 3D-modellen voorbereidt voor het produceren van onderdelen met Composer CFC-printer alsook conventionele FFF-printers.

Composer desktop 3D-printer beschikbaar in drie formaten (A4, A3, A2).

PROM familie van industriële printsystemen met robot en gantry opties, commercieel beschikbaar vanaf 2020.

Robotontwikkeling vs. desktop

"De robot heeft een andere printkop omdat je de kop moet bewegen om te passen en te bereiken in beperkte ruimtes tijdens het printen," legt Antonov uit. "In een 2D-vlak is dit geen issue. Maar in 3D-ruimte, moet je vezel plaatsen waar al wat structuur is. De ideale toegankelijkheid wordt bereikt met een naald. Dus we hebben een compromis nodig, een meer naald-achtige printkop."

Hij noemt andere verschillen, zoals industriële controls. "De desktop printers zijn gebaseerd op consumentenelektronica, zoals Arduino. Maar voor grotere, robotische systemen, heb je industriële motion control en interfaces en allerhande in-situ kwaliteitsborging, zoals laser meten, wat Markforged op hun grotere machine heeft. Je moet ook verwarmings/koelingssensoren en controls aanpassen." Hij voegt toe dat al dit tijd en middelen kost, en hun prioriteit de laatste twee jaar was om de desktop machine te ontwikkelen, maar nu ze ook aan de robotische systemen werken."

Software: Aura

Antonov beschrijft Anisoprint's software als flexibel, wat zowel beginners als gevorderde gebruikers in staat stelt. "De software is makkelijk te gebruiken, maar het is belangrijk dat R&D-labs de mogelijkheid hebben om printparameters te veranderen," legt hij uit. Inderdaad, klanten omvatten het MFPA onderzoeksinstituut (Weimar, Duitsland), Brightlands Materials Center (Geleen, Nederland) en Technische Universiteit van München alsook fabrikanten inclusief Schunk Carbon Technology, Airbus en BMW.

Anisoprint heeft 3D-geprinte composiet microsatellietonderdelen met tot 45% gewichtsreductie vs. lichtgewichts metalen.

Partnerschap voor voortgezette oplossingen

Anisoprint, dat zichzelf uitroept als een open materialenplatform, kijkt ook naar het ontwikkelen van meer partnerschappen voor nieuwe printmaterialen en onderdelen. In juni kondigde het een overeenkomst aan met Malta-gebaseerd Thought3D om de latters Magigoo lijmiddelen te gebruiken. Deze plakken de eerste printlaag aan het printbed, waardoor deel afkomen voorkomen wordt. "Slechte eerste laag hechting is een van de meest voorkomende problemen die geprinte onderdelen kunnen ruïneren, en niet noodzakelijk aan het begin van de build," legt Antonov uit. "Dit is vooral belangrijk voor ons open materialensysteem, waar de klant kan kiezen uit verschillende typen thermoplasten. Elk vereist verschillende printparameters en is waarom we verschillende eerste laag instellingen in onze Aura slicer software geïntroduceerd hebben. Dit is ook waarom we Magigoo stokjes in elke Composer doos zullen meeleveren om ervoor te zorgen dat onze klanten een passende oplossing in handen hebben voor goede eerste-laag hechting."

Anisoprinting toepassingen

Anisoprint zegt dat zijn technologie in veel velden toegepast kan worden, van luchtvaart tot consumentenproducten en gezondheidszorg. Een voorbeeld is een vliegtuigstoelsteun die 1,5 ton last draagt met een 40% gewichtsreductie versus aluminium. Met 100 dergelijke bevestigingen in een gemiddeld single-aisle passagiersvliegtuig, kan deze gewichtsreductie oplopen tot significante besparingen in brandstof en algemene operationele kosten.

Anisoprint 3D-geprinte composiet vliegtuigstoelsteun bereikt 40% gewichtsbesparing vs. aluminium.

Een ander geval is een zuiger voor het vormen van yoghurtpotten, gebruikt in een zuivelproductielijn. Dergelijke zuigers zijn typisch gemaakt van gefreesd polyamide, maar het vervangen van dergelijke onderdelen wanneer ze beschadigd zijn duurt drie maanden, met de productielijn uitgeschakeld voor de duur. Het onderdeel geprint door een Anisoprint Composer heeft naar verluidt een langere levensduur en reduceert productielijn downtime van 3 maanden tot 24 uur.

Anisoprint voldaan aan de eisen voor een zuivelproductielijn component met zijn 3D-geprinte composiet zuiger maar met een drastisch verminderde vervangingtijd.

"Anisoprinting maakt het ontwerp en de productie van optimale composietstructuren mogelijk via composiet vezel co-extrusie," zegt Antonov. "Thermoplastische polymeren worden versterkt met continue vezels, geconsolideerd en uitgehard binnen een eentraps, volledig geautomatiseerd proces, zonder na-verwerking vereist. Als resultaat krijgen we onderdelen die vele malen sterker, lichter en goedkoper zijn dan traditionele metalen en kunststoffen en superieur ook aan conventionele composieten."