CAMX 2018 Highlights: Grote vooruitgang in thermohardende 3D-printing

Thermohardende 3D-printing

CW heeft breed gerapporteerd over 3D-printen van composieten met thermoplastische harsen. Maar afgelopen jaar hebben we groei gezien in printen met thermohardende harsen (en continue vezel, zie mei 2018 blog en sep 2018 blog). Deze trend lijkt klaar voor verdere groei, met Large-scale Thermoset Printing getoond door Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in de CAMX en ACE awards gebieden. Ontwikkeld in partnerschap met Magnum Venus Products (MVP), het grootschalige thermohardende printsysteem genaamd THERMOBOT heeft een bouwvolume van 16 x 8 x 3,4 ft. Door gebruik te maken van reactieve polymeren die volledig kruislinken tussen lagen, claimt THERMOBOT-technologie hogere-sterkte geprinte onderdelen te produceren vs. die met gedeeltelijk gesmolten, thermoplastische lagen. De kosten van voedingsmateriaal worden ook geschat op 50% lager. Alle proeven tot nu toe hebben vinylestersystemen van Polynt-Reichhold gebruikt, gebaseerd op hun Corporate Research and Development Agreement (CRADA) met ORNL.

Eén strategie voor de THERMOBOT-technologie (zie afbeeldingen bovenaan) is om hoge lastdragende maar lichte structuren te produceren door variabele-dichtheid cellulaire honingraatstructuren te printen die per toepassing afgestemd kunnen worden. Het resultaat is snellere print van hogere-sterkte structuren die minder materiaal, tijd, energie en kosten consumeren vs. huidige benaderingen. Dit kan ook de meest kosteneffectieve manier zijn tot nu toe om last-aangepaste honingraatstructuren te realiseren, een bionisch ontwerpbenadering geïntroduceerd door Evolutionary Light Structure Engineering (ELiSE, zie 2016 blog). MVP nastreeft een commercialisatieplan en verwelkomt vragen.

3D-geprinte vormzen itereren opnieuw

Polynt-Reichhold, in partnerschap met Cincinnati Inc. en TruDesign (Knoxville, TN, VS), toonde een volgende stapverandering in 3D-geprinte composietvormzen. De vooruitgang getoond op CAMX was het printen van vormzen niet met een solide substructuur, maar met een rooster-type kern, wat printtijd, materiaal en kosten vermindert. Het daadwerkelijke vormoppervlak wordt bereikt door het 3D-geprinte rooster te bespuiten met TD Coat RT, een hoge-opbouw, kamertemperatuur coating waarin eindafmetingen en details gefreesd worden. Deze coating wordt aangebracht met MVP-spuitapparatuur en is commercieel beschikbaar via TruDesign. Opmerkelijk is dat het de thermohardende oppervlakte aan het thermoplastische geprint substraat hecht, het oppervlak afdicht voor vacuümintegriteit en ook het significante verschil in thermische uitdingscoëfficiënt (CTE) tussen de machine- en z-richting van het geprint composiet aanpakt – typisch een 20% koolstofvezel-versterkt ABS. Anders kunnen temperatuurveranderingen veranderingen in het vormoppervlak veroorzaken. De vormsegmenten getoond bovenaan werden geprint door AES (Akron, OH, VS) met een Cincinnati Inc. BAAM-machine.

L&L biedt gepultrueerde structuren voor automobiel

L&L Products, Inc. heeft zijn Continuous Composite Systems (CCS) pultrusies gelanceerd met polyuréthanehars. Gericht op automobieltoepassingen zoals zijzolen en crash-structuren, vervangen ze traditionele metaalstructuren die bulkheads nodig hebben voor benodigde stijfheid, biedend lichtgewicht – 75% minder massa dan staal en 30% minder dan aluminium – tegen een economische prijs. Continue vezelprofielen omvatten CCS Set met glasvezel, CCS Hybrid met een gecustomiseerde mix van glas- en koolstofvezel en CCS Extreme met alleen koolstofvezel. Deze composieten kunnen ook gecombineerd worden met L&L's bekende lijmiddelen als onderdeel van hun continue verwerking, wat productiekosten en time-to-delivery verder vermindert. Let op dat L&L lijmiddelen ook gebruikt worden om geluid, trillingen en schok (NVH) problemen te mitigeren. Naast automobiel zijn CCS-producten ook gericht op windturbineblad spar caps, industriële en architecturale toepassingen.

L&L toonde ook hun koppelbehoud-isolatie TRI-seal producten voor multi-materiële automobiele karrosseries. Uitbaar dichtingsmateriaal wordt geaugmenteerd met Alumina (Al₂O₃, of aluminiumoxide) bolletjes, die klemkracht ondersteunen voor koppelbehoud terwijl isolatie tussen ongelijke materialen bieden om galvanische corrosie te voorkomen en afdichten tegen water, lucht en stofintrusie, allemaal tegelijk. Oftewel warmte-gehecht voor droge toepassingen of kleverig voor drukgevoelige toepassingen, TRI-seal producten kunnen gebruikt worden aan ongelijke materiaalinterfaces, geboute/gerivette bevestigingen en deur/kap/achterklap scharnieren.

Owens Corning produceert 3D-printfilamenten

XSTRAND 3D-printfilamenten zijn ontwikkeld met het bedrijf's gehakte glasvezels en polyamide 6 (PA 6 nylon) of polypropyleen (PP) polymere. Waarom glasvezel? "Het print beter, met een betere afwerking en heeft betere eigenschappen vs. gehakte koolstofvezel omdat we een betere oplossing geengineerd hebben bestaande vezelsizing geoptimaliseerd voor elk polymertype," legt Owens Corning productexpert Jay Yang uit. Hij merkt op dat significante productontwikkeling en materialenselectie vereist waren om een geoptimaliseerd systeem van polymer, vezels en sizing te ontwikkelen. "Dit is niet triviaal en vereist twee jaar R&D-werk." Yang zegt dat meer productvarianten in de pijplijn zitten, inclusief filament met hogere temperatuur en meer specialiteitspolymeren.

Polyesterhars met Tg>250°C

ATSP Innovations (Champaign, IL, VS) is een start-up van de Universiteit van Illinois op Urbana-Champaign die Estherm aromatische thermohardende polyester (ATPS) harsen heeft ontwikkeld. Deze gerapporteerde nieuwe klasse van copolyesters biedt hogere prestaties dan een typische polyester of gemiddelde nat-leg epoxyhars:

Treksterkte 95 MPa Trekmodulus 4,2 GPa Drukmodulus 4,9 GPa Druksterkte 304 MPa

Toch beschikt het ook over een hogere temperatuurmogelijkheid (Tg>250°C) vs. polyesters en vinylesters, die maximaal uitkomen op 140°C en 160°C, respectievelijk, en epoxies die maximaal service-temperatuur bereiken vóór 200°C. ATSP Innovations rapporteert dat composieten gemaakt met Estherm lastdragende structuren mogelijk maken tot een Tg van 285°C. Dit is eigenlijk meer in lijn met fenolische (148-260°C), bismaleimide (200-282°C) of polyimide (260-316°C) harsystemen. Het bedrijf claimt zelfs verdere voordelen inclusief zeer lage vochtopname, oxidatieve stabiliteit, gemakkelijke bewerkbaarheid (lage stof), lage brandbaarheid zonder vullers (limiterende zuurstofindex van 40%, wat groter is dan fenolisch) en herbruikbaarheid gelijk aan thermoplasten.

In feite, vergelijkbaar met L&L Products LF610 herformeerbare epoxylijm, wanneer deze aromatische thermohardende copolyester geformuleerd wordt in een lijm (merknam Self-Bond), staat het hechten en ontkoppelen toe, elk met warmte en druk, wat 50 keer herhaald kan worden zonder sterktesverlies. ATSP Innovations legt uit dat dit mogelijk is door een vastestof-bindingproces genaamd interchain transesterification reaction. Estherm en Self-Bond zijn naar verluidt drop-in oplossingen, die afgestemd kunnen worden op specifieke klantbehoeftes en beschikbaar zijn in meerdere productvormen. ATSP Innovations heeft onderzoek gepubliceerd over verwerking van de materialen in composieten en als schuimen, alsook tribologische en cryogene coatings. De materialen zijn in ontwikkeling sinds 2011 en ATSP Innovations werd recentelijk toegekend een Fase II follow-up van zijn NASA-gesponsorde Fase I SBIR-project "Omkeerbare adhesieconcept voor in-ruimte assemblage".

IoT voor vacuümzak harding

Ruiz Aerospace (Laval, QC, Canada) heeft TERVIA Hub ontwikkeld, ingesloten met sensoren en internetconnectiviteit, wat dataverzameling mogelijk maakt van vacuümpoorten verbonden met de hub en uitwisseling van die data via wifi met een telefoon, tablet of PC. De meetstaven verzamelen atmosferische druk, vacuüm, temperatuur en vochtigheid onder de vacuümzak en communiceren deze data gedurende harding naar de Cloud via de TERVIA Hub. Het systeem kan gebruikt worden om geautomatiseerde lektempo-testen uit te voeren op gereedschappen en vacuümzak-opstellingen. Het toont ook en registreert productieparameters gedurende harding. Het systeem kan ook hardingsvoortgang tonen vs. een geprogrammeerd tijd- en temperatuurrecept en SMS/e-mail alarmen sturen wanneer hardingsparameters bereikt zijn of drempeltemperatuur bereikt is. Het fungeert essentieel als een hot bonder-systeem zonder de warmte-toepassingsmechanisme. Echter, met minder dan $1.000 USD voor de hub, $99 USD voor drie vacuümmeetstaven en een maandelijkse abonnement van $39 USD voor de geavanceerde softwarelicentie (er zijn ook gratis en duurdere, aanpasbare opties), is de totale all-in kosten veel betaalbaarder.

Blijf op de hoogte voor meer blogs over nieuwe ontwikkelingen getoond op CAMX.