Composieten revolutioneren: Continue vezelproductie met MOI Composites

Continue vezel 3D-printen en -deponeren wint aan momentum. Naarmate het aantal bedrijven dat het gebruikt en verder ontwikkelt groeit, zal deze technologie de composietenindustrie ongetwijfeld vormgeven.

Ten eerste biedt het fabricatie zonder vormen of gereedschappen. Ten tweede biedt het multifunctionele structuren (bijv. elektrische geleiding, vormverandering, sensing). Derde opent het de deur naar een wereld van gehybridiseerde productie — bijv. lamineren bovenop 3D-printen en frezen tijdens het printen — alsook een bijna oneindig landschap van materialenontwikkeling, van Nitinol vormgeheugenlegering (SMA) vezels tot conductieve nanocomposietoplossingen voor vloeistofdepositiemodellering (LDM). Het laatste is een hele wereld op zich waar ik in een toekomstige blog op terugkom.

Octrooi WO2017085649A1 en Atropos printsysteem. BRON: moi composites.

Moi composites werd in februari 2018 opgericht door materialenengineer en professor Marinella Levi, ontwerpende engineer Gabriele Natale en architect Michele Tonizzo. In 2013 begon professor Levi met 3D-printen aan de Politecnico di Milano (Milaan, Italië). In 2014 had zij +LAB gevormd in de afdeling Chemie, Materialen en Chemische Techniek "Giulio Natta" van de universiteit. Haar visie was om R&D, onderwijs en materialeninnovatie te smelten door ingenieurs, ontwerpers, onderzoekers en makers samen te brengen in een multidisciplinair, collaboratief 3D-print hub.

2014 Eerste tool voor 3D-printen continue vezel thermohardende composieten
2015 Octrooi WO2017085649A1
2016 Partnerschappen met Owens Corning en KUKA Robotics,
Atropos project en printsysteem
2017 JEC Innovatieprijs, partnerschap met Autodesk,
James Dyson award runner-up,
Partnerschap met COMAU automatisering
(Volledige tijdlijn)

“We startten moi composites omdat we commerciële onderdelen wilden produceren en betrokken wilden zijn bij internationale projecten,” legt Michele Tonizzo uit. “We ontdekten dat er voldoende markt is. We maken biomedische componenten alsook onderdelen voor maritieme, olie & gas en luchtvaarttoepassingen, voornamelijk met glasvezel. De CFM-technologie kan unieke oplossingen produceren die onmogelijk zijn met traditionele methoden.”

3D-geprinte schroefblad met interne structurele trellis met continue glasvezel (boven). Dit project demonstreerde ook vezelplaatsing langs niet-lineaire kurven (linksonder) en continue vezel laminaat met traditionele vezelorientaties (bijv. 0°, +45°, -45°, 90°, rechtsonder). BRON: moi composites

Bereik van harsen en vezels

Atropos demonstreerde de mogelijkheid om niet alleen laag voor laag te printen, maar ook langs niet-lineaire kurven met discontinu en continue vezelversterkte, thermohardende polymeren. Er werd ultraviolet (UV) licht gebruikt voor het uitharden van de polymeren op hun plaats. “We kunnen momenteel printen met UV-uitgehard epoxy, acrylaat en vinylester,” zegt Tonizzo. Hij merkt op dat acrylaat goed werkt voor architecturale onderdelen omdat het transparant is en geen temperatuur vereist voor uitharding/na-uitharding. Vinylester wordt gebruikt voor maritieme onderdelen en epoxy voor olie & gas en luchtvaartonderdelen.

“Voor sommige toepassingen is UV-uitharding slechts de initiële fase en harden we daarna conventioneel met warmte na,” observeert Tonizzo. “We zijn niet gebonden aan UV-uitharding. We hebben geprint met niet-UV-uitgehardende polymeren en begrijpen dat voor hogere eigenschappentoepassingen we verschillende matrixopties nodig hebben.” Ter referentie, de glasovergangstemperatuur (Tg) voor hun meest gebruikte hars, een vinylester, is ongeveer 140°C.

“We werken ook met koolstofvezel maar niet met UV-uitgehardende harsen,” zegt Tonizzo. Hij wijst erop dat zowel vezeltransparantie en kleur UV-uitharding beïnvloeden. “Het probleem met koolstof is dat het ondoorzichtig en zwart is. Dit is de slechtste combinatie. We willen de beste oplossing ontwikkelen voor koolstofvezel als materiaal, niet alleen de makkelijkste technologie die werkt. Er zijn veel andere uithardende materiaalopties die we kunnen gebruiken, dus we onderzoeken deze.”

Moi composites kan continue geleidende vezels printen voor elektrische/thermische functionaliteit, sensing, vormverandering, etc. BRON: moi composites.

Moi composites heeft continue glasvezel tot 2400 tex (207 yd/lb met een maximum diameter van 24 μm per een Owens Corning datasheet) geprint en test natuurlijke vezels. Het heeft ook geprint met basaltvezel. “We kunnen heel goed printen met UV-uitharding en basaltvezel omdat het eigenlijk enigszins transparanter is en meer bruin dan zwart,” legt Tonizzo uit.

Vezels die elektrische stroom geleiden kunnen ook in de CFM-technologie gebruikt worden. Ze kunnen zo nodig in de te printen structuur geplaatst worden. Een van de projecten op de +LAB-website toont Nitinol-vezel, een vormgeheugenlegering. “Zo kun je vormveranderende structuren maken,” zegt Tonizzo. “Bijvoorbeeld kun je het gebruiken om spanning op andere vezels vrij te maken, zoals in voorgespannen beton.”

3D-printen als onderdeel van hybride productie

Atropos gebruikt een Kuka robotarm met een printomhulling van 0,5 x 0,5 x 0,5m hoogte. “We printen nu op een Comau robot met een 1,0 x 0,5 x 0,8m hoogte omhulling, wat het tweedegeneratiesysteem is,” zegt Tonizzo. “We hebben ook grotere robots met draaitafels en bouwwolumes van 1,5 x 1,5 x 1m hoogte gebruikt en gedemonstreerd dat onze technologie gemakkelijk schaalbaar is.”

Moi ontwikkelt ook een derdegénere, all-in-one printkop met een systeem om druk op de vezels uit te oefenen, sensoren, snijmechanismen en freesgereedschap. Tonizzo zegt dat dit de kloof tussen 3D-printen en geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP) zal dichten. “3D-printen haalt niet de prestaties van AFP, maar CFM biedt meer flexibiliteit. We kunnen al printen met vezels van 0,25mm dikte en hebben de mogelijkheid om kurven te creëren en continue vezels in de ideale positie te plaatsen,” voegt hij toe.

SuPeRIOR is een onderbeenprothese geoptimaliseerd voor minimaal gewicht, doorbuiging en kosten.
De 3D-geprinte structurele kern werd vervolgens gelamineerd met koolstofvezel en epoxyhars gevolgd door VBO-uitharding. BRON: moi composites.

“3D-printen moet gebruikt worden voor wat het het beste doet,” zegt Tonizzo, “wat het optimaliseren van werkstromen omvat. Bijvoorbeeld, je kunt een interne kern 3D-printen met onderinsnijdingen en slimme vezelrichtingen. Je gebruikt dan gewone handlaminatie erbovenop en härdt in een autoklaaf of alleen met vacuümzak.” Hij beschrijft een onderdeel dat onmogelijk was conventioneel te maken met een vorm. “We printten de interne kern en wikkelden het dan in laminaat en autoklaaf-gehard het bij 110°C en 2 bar druk gedurende enkele uren. Het onderdeel kwam er goed uit.” Dit onderdeel valt onder een non-disclosure agreement, dus geen verdere details beschikbaar, maar moi heeft de SuPeRIOR-prothese op een vergelijkbare manier geproduceerd, gehard niet in een autoklaaf maar met alleen vacuümzak (VBO). “Alle interne elementen gebruiken één continue glasvezel,” legt hij uit, “maar de buitenlaminaat is handlaminatie koolstofvezelstof en epoxyhars.” Het hele ontwerp vermindert doorbuiging en vergroot customization terwijl het aanzienlijk kosten en productietijd bespaart.

Voxel-gebaseerde optimalisatiesoftware

Tonizzo legt uit dat het onderdeelontwerpproces Autodesk's voxel-gebaseerde algoritme combineert met moi's algoritmen voor spanning- en padoptimalisatie. Dit produceert het geoptimaliseerde vezelpad voor de structuur. De software werkt ook om het meest haalbare pad te kiezen. “Dit is een iteratief proces,” zegt Tonizzo. “Het ontwerp is niet volledig geautomatiseerd zoals generatief ontwerp. Het heeft nog steeds ingenieurs nodig om keuzes te maken. Maar ik denk dat dit zo moet zijn — de ontwerper en de software gecombineerd, niet alleen AI alleen.”

Multi-materiaal toekomst, sterk marktpotentieel

In een van de afbeeldingen van het Atropos-geprinte schroefblad is een close-up te zien met een bijna geweven patroon. “Dit is eigenlijk niet geweven maar het zal binnenkort mogelijk zijn,” zegt Tonizzo. Hij verwijst naar het sinusgolfproject op de +LAB-website. “De demonstrators zijn 3D-geprint in plastic met korte vezels en het LDM [vloeistofdepositiemodellering] proces toen we onderzoekers waren bij +LAB. De algoritmes die we toen gebruikten zijn dezelfde die we nu verder ontwikkelen met continue vezel.”

+LAB’s Sinusgolf demonstreert 3D-geprinte polymere vulpatronen met een instelbare elastische respons. BRON: +LAB.

Het is duidelijk vanaf de +LAB-website dat materiaalinnovaties en mogelijkheden voor dit type printen bijna oneindig zijn. De vraag is wat de meeste kans en potentieel biedt voor hoog-vraagoplossingen. Ondertussen ondersteunen materiaalleveranciers de doorontwikkeling. Bijvoorbeeld, Owens Corning is geïnteresseerd om glasvezel met meer matrices te demonstreren, zoals keramiek en beton. Dit is heel interessant voor bouw- en constructietoepassingen, en kan significant potentieel hebben in het licht van de huidige trends voor digitale fabricatie en energiezuinige bouw, offsite voorgefabriceerde modules en verbeterde duurzaamheid via natuurlijke en gerecyclde materialen, wat allemaal lichtgewicht benadrukt. “De afdeling Giulio Natta aan de Politecnico di Milano is in een EU-project voor het printen van geopolymers die zich gedragen als beton,” voegt Tonizzo toe. “Ze härden zelf met de tijd maar hebben de consistentie als klei tijdens het printen voor betere vloeistof. We zullen zeker blijven werken in dit gebied, alsook met nieuwe polymeren en vezels.”

Moi composites print ook met geopolymers, die zich gedragen als beton.
BRON: +LAB.

Zullen jullie machines verkopen? “Ja, maar in de toekomst,” zegt Tonizzo. “Voor nu produceren we onderdelen en brengen we de technologie naar de faciliteit van de klant, met ons know-how, printkop en software om onderdeeloplossingen op aanvraag te realiseren.” Hij voegt toe dat na het verbeteren van de technologie met CFM early adopters dit afgelopen jaar, en het demonstreren van de business case voor veel verschillende onderdelen in verschillende markten, moi composites nu investeerders zoekt om CFM-machines en -processen verder te schalen voor commerciële marktkansen.