3D printen verbeteren: Continue vezel-versterkte composietfabricage

CW schrijft sinds 2014 over continue vezel-versterkte 3D geprinte composieten, toen MarkForged de Mark One printer lanceerde op de SolidWorks World conferentie (26-29 jan 2014). We dekte daarna Arevo en de ontwikkeling van multi-as printen met continue vezel, inclusief in de z-richting en langs contouren via een robotarm. Dit jaar schreven we over Orbital Composites en hun werk met het Composites Technology Center in printen van continue vezel composieten.

Er is echter een bedrijf dat sinds 2012 print in continue composieten. CW publiceerde eigenlijk een korte sidebar over Continuous Composites (Coeur D'Alene, ID, VS) in jan 2017 maar de prestaties verdienen een lengere discussie:

• Printen in drie dimensies met elke continue vezel inclusief aramide, glas (GF) en koolstofvezel (CF), koper, nichroom draad en vezeloptica.
• Gebruikt UV-verhardende thermoharsende harsen voor hoge-snelheidsprinten en printen onondersteund in de ruimte.
• Maakt vormloze, out-of-autoclave composietfabricatie en belastingspadoptimalisatie mogelijk
• Gedemonstreerd op AutoDesk University 2017 een 3D-geprint, multimateriaal (gehakte CF/ABS schil, continue GF/epoxy truss frames) roer compleet met geprintte vezeloptica die temperatuur, druk, versnelling en elektrische geleiding kan voelen en communiceren.

CF3D

"We combineren de kracht van composietmaterialen met een 3D printproces met geavanceerde robotica," zegt Continuous Composites CEO Tyler Alvarado. Het bedrijf heeft zijn Continuous Fiber 3D Printing als CF3D gemerkteken. "CF3D impregneert het vezel binnenin het hoofd en verhardt onmiddellijk na materiaaldepositie," legt hij uit. "We zijn niet beperkt tot printen via 2D sneden dus we kunnen vol voordeel halen uit de anisotrope eigenschappen van composietmaterialen door vezels discreet in elke richting te oriënteren."

Alvarado merkt op dat het ook mogelijk is thermoharsende harsen te tunen voor elke klantoepassing, bijv. modulus verhogen, of juist toughness, of zelfs brandweereigenschappen. CF3D is ook geschikt voor printen met thermoplastische harsen en Continuous Composites heeft printen gedemonstreerd met zowel thermoharsende als thermoplastische materialen in de zelfde structuur.

"We bereiken 50-60% vezelvolume," zegt Alvarado, die toevoegt dat variabele compactie van het geprintte laminaat in het printhoofd is geïntegreerd. "Als we een structuur in vrije ruimte printen, compacteren we niet tegen een hulpmiddel, dus consolidatie is anders. Het eerste pad voor een structuur is onondersteund, en heeft daarom weinig druk nodig omdat er niets is om tegenaan te drukken. Opvolgende lagen kunnen echter druk hebben voor compactie."

In 2016 en 2017 bouwde Continuous Composites een robotische fabricagecel met verhoogde bewegingscontrole en bouwvolume. Als met alle 3D printen, genereert software de code voor machinebeweging. Echter, omdat hulpmiddelpad generatie heel anders is in CF3D, ontwikkelt Continuous Composites eigen software. "Kant-en-klare oplossingen werken niet voor continue vezel hulpmiddelpad generatie aangezien we niet langer beperkt zijn tot stapelen van 2D sneden," legt Alvarado uit. De CF3D software automatiseert ook UV lampen voor harsverharding, snijden van de printfilament wanneer nodig en controle van compactiedruk.

"Het nieuwe printhoofd dat we ontwikkeld hebben is veel actiever," zegt Alvarado. "Onze nieuwe end effector heeft adaptieve spanning en dynamische controle van harsafgifte."

Alvarado zegt dat CF3D 16 tows breed kan printen met 12K koolstof tow en epoxyhars. Het heeft 3-laag dikke monsters geproduceerd met minder dan 1% porositeit en een gemiddelde treksterkte van 111 ksi. Deze mechanische test werd gedaan als onderdeel van een 2017 project voor een VS Defensie contractor. "We verbeteren voortdurend en verwachten snel 200 ksi te overschrijden," stelt Alvarado. "We hebben ook brand-, rook- en toxiciteit (FST) testen voltooid voor luchtvaart interieur toepassingen," voegt hij toe.

Zintuigende structuren

De CF3D technologie faciliteert printen van multifunctionele composietstructuren. Bijvoorbeeld: continue koperdraad kan geprint worden om elektronica te voeden, continue nichroom draad kan geprint worden om warmte in te bedden voor anti-icing toepassingen of continue vezeloptica kan geprint worden voor real-time structurele gezondheidsmonitoring (SHM) en prestatie-optimalisatie van een composietstructuur.

Continuous Composites printte de bovenstaande demo vleugelprofiel in 2017 inclusief:

• Continue glasvezel ondersteunende trussen geprint onondersteund van boven naar beneden van het vleugelprofiel.
• Continue koperdraad voedende LED lichten op de aanlooprand.
• Nichroom draad voor anti-icing op de aanlooprand.
• Vezeloptica op de bovenhuid die kan worden gebruikt voor data verzameling.

In nov 2017, produceerden Continuous Composites, Form Forge (Portland, OR, VS) en AutoDesk een zintuigende composiet roer als onderdeel van de "Making Waves" tentoonstelling met Livrea Yacht (Palermo, Italië) op de jaarlijkse AutoDesk University conferentie.

De roer was ruwweg 4,5 ft hoog, geprint met 20% gehakte koolstofvezel-versterkte ABS (acrylonitrile butadieen styreen) thermoplast voor de schil of huid, en continue glasvezel voor de structurele truss ondersteuningen. Het team printte ook geavanceerde vezeloptica in de roer.

De afgewerkte roer werd op de stand getoond op AutoDesk U. "We lieten het publiek het aanraken, en de roer's sensoren verzamelden 5 Gigabytes data over 2 dagen, bijhouden temperatuur, versnelling en spanningsveranderingen," vertelt Alvarado. "Door deze functionaliteit in te bedden, kunnen we de structuurprestaties verzamelen en analyseren voor real-time gezondheidsmonitoring en prestatie-optimalisatie."

Denk even na, de roer en foils op uw racejacht kunnen nu daadwerkelijke data terugvoeden in uw computational fluid dynamics (CFD) analyse en ontwerpsoftware om de individuele structuurontwerp en algehele bootprestaties intelligent te optimaliseren. En natuurlijk kunnen de roer en foils in plaats daarvan vliegtuig- of auto-structuren zijn.

"We wilden onze capaciteit demonstreren om CF3D technologie met meerdere materialen en meerdere modi van additieve fabricage in één cel te combineren," zegt Alvarado. Hij merkt op dat de flexibiliteit om thermoharsende harsen te tunen ook gedemonstreerd werd door de hars gebruikt met de continue vezel te hechten aan de gehakte vezel/ABS.

De Toekomst van Fabricage

Continuous Composites is moedig in zijn toekomstvisie voor CF3D. Het ziet de technologie als enabler voor lokale fabricage en een heropleving in Amerikaanse fabricage, maar ook een pad naar meer duurzame productieprocessen. "Onze technologie lost veel problemen op gevonden in traditionele composietfabricagemethoden," zegt Alvarado. "We hebben het leggen van vezel in alle richtingen geautomatiseerd, wat ontwerpmogelijkheden opent alsook de noodzaak voor dure vormen, autoclaven, en ovens elimineert." Hij voegt toe dat door deze beperkingen te verwijderen, CF3D meerdere componenten in een enkel geprint onderdeel kan combineren en functionaliteit inbedden, allemaal in een enkel fabricageproces. "Onze technologie is een nieuwe, opkomende fabricagemethode die veel industrieën zal disrupteren."

Alvarado zegt dat Continuous Composites werkt met een verscheidenheid aan bedrijven om een technologie-ecosysteem te ontwikkelen inclusief OEMs, machineleveranciers, robotica integrators, materialenleveranciers en softwarebedrijven. "We hebben 7 toegekende octrooien met 76 non-provisionele octrooiaanvragen pending en een extra 11 provisionele octrooiaanvragen pending, die meer dan 250 gecertificeerde en octrooipending concepten dekken. We blijven onze technologie ontwikkelen en zoeken implementatie van onze technologie bij bedrijven over alle industrieën, inclusief luchtvaart, auto, defensie, bouw, etc."