Ультра-высоковолокнистые 3D-печатанные композиты: 60% волокна и <1% пустот

«Наша главная цель — производить структурные непрерывноволокнистые композиты для промышленности», — говорит сооснователь 9T Labs (Цюрих, Швейцария) Джованни Каволина. «Если говорить с людьми, производящими CFRP-детали, большинство не верят, что возможно достичь сверхнизкого содержания пустот или хорошую межслойную сдвиговую прочность (ILSS) между слоями при 3D-печати с непрерывным волокном». 9T Labs, однако, разработала запатентованный пост-процесс, устраняющий пустоты. «Теперь мы можем 3D-печатать непрерывноволокнистые композиты с отличной адгезией между слоями и содержанием пустот ниже 1%, что конкурирует с традиционно изготовленными композитами».

Начало в ETH Zurich

9T Labs началась с исследовательского проекта в Лаборатории композитных материалов и адаптивных структур (CMAS) в Швейцарском федеральном технологическом институте Цюрих (ETH Zurich). Каволина и сооснователи 9T Labs Мартин Айхенхофер и Честер Хаувинк разработали печатающую головку для композитов, «которую мы установили на манипулятор и делали решетчатые ядра для ультралегких сэндвич-структур, нацеленных на авиаприложения», — объясняет Каволина.

CarbonKit был ограниченным релизом, позволявшим обычным FDM-принтерам использовать непрерывное углеродное волокно, но еще не был правильным решением для производства структурных CFRP-деталей, конкурентоспособных по стоимости. ИСТОЧНИК: 9T Labs.

CarbonKit

Таким образом, 9T Labs была основана в начале 2018 года для доказательства концепции 3D-печати монолитных CFRP-ламинатов, удовлетворяющих требованиям потенциальных клиентов. «Наш следующий шаг — CarbonKit», — говорит Каволина. Этот продукт представлен в статье CW за март 2019 года «Переход 3D-печати с непрерывным волокном в производство». CarbonKit превращает 3D-принтеры Ultimaker или Prusa в систему, способную печатать с непрерывным углеродным волокном. «Позволяет использовать ваши существующие принтеры в комбинации с нашей печатающей головкой, филаментами и ПО для размещения непрерывных волокон согласно нагрузочному случаю с 50% объемным содержанием углеродного волокна — не 30%, что было нормой в 3D-печати CFRP», — добавляет он.

Каволина объясняет, что хотя интерес к продукту был велик, «мы поставили только 25 клиентов. Держали продукт ограниченным, потому что поняли: с однозначным FDM-процессом [fused deposition modeling] невозможно достичь структурных конечных деталей для промышленных авиаприложений, которые также конкурентоспособны по стоимости с текущими технологиями».

Однако через CarbonKit 9T Labs установила ценные отношения с клиентами. «Мы узнали, чего компании ожидают и нуждаются, хотя эти детали на самом деле невозможно было произвести с CarbonKit», — объясняет он. «In-situ консолидация действительно возможна с FDM, но потребовала бы гораздо более сложных машин, запретительно дорогих. Поэтому мы разработали 2-ступенчатый процесс с пост-печатательной консолидацией».

С Red Series 9T Labs достигла 3D-печатанных CFRP-структур с >50% объемного содержания волокна и <1% пустот по доступной стоимости против текущих методов производства композитов. ИСТОЧНИК: 9T Labs.

Red Series, 2-ступенчатый процесс

Это то, где 9T Labs сегодня. «Мы коммерциализируем Red Series, состоящий из двух блоков: классического FDM-печатающего блока с запатентованной печатающей головкой и смежного Fusion Unit для пост-обработки», — объясняет Каволина. «Мы не достигаем полной in-situ консолидации во время печати, а печатаем, а затем консолидируем во втором процессе. По сути, мы печатаем преформу, которая помещается в Fusion Unit для пост-консолидации при высокой температуре и давлении для достижения более 50% объемного содержания волокна с менее чем 1% пустот. Этот 2-ступенчатый процесс достигает авиационного качества по доступной стоимости».

Red Series использует термопластиковые материалы, пока. «Печатаем углеродное волокно с PEI, PEKK, PA (нейлон) и имеем опыт с PP», — говорит Каволина. Является ли Red Series открытой материальной системой? «Единственный способ быть конкурентоспособным по стоимости — использовать существующие материалы с новым производственным процессом», — объясняет он. «Если вы придумаете свой материал с нуля, вы исключаете возможность серийного производства. Для безопасности цепочки поставок и надежности серийные производители не будут полагаться на маленькую компанию для материалов. Поэтому мы позволяем клиентам использовать их существующие материалы, гарантируя, что они работают в нашей системе». Он объясняет, что 9T Labs тестирует материалы, чтобы убедиться, что сырье соответствует определенным требованиям, и определяет лучшие параметры печати.

А как насчет открытого ПО? «Наше печатающее ПО сочетается со структурным симуляционным ПО», — говорит Каволина. «Инженеру отлично размещать волокна там, где нужно, но как быть уверенным, что это именно там, где они должны быть? Наше ПО дает свободу проектирования и затем перекрестную проверку со структурной симуляцией. Другое направление: определить волокнисто-ориентированную укладку в структурной симуляции и затем конвертировать в путь печати в нашем ПО. Мы используем существующего, хорошо проверенного и известного партнера для ФЭА, работающего в фоне. Можно также напрямую спроектировать деталь в CAD и загрузить файл в нашу программу. Там решаете, где нужно углеродное волокно, а где достаточно чистого полимера».

Эта CFRP-кронштейн и качающаяся рука для неавиационных приложений фактически соответствуют авиационным требованиям к ламинату и имеют более 40 слоев — каждый с разной ориентацией волокна для эксплуатации анизотропии и оптимизации структурных деталей, ранее невозможных. ИСТОЧНИК: 9T Labs.

Приложения

9T Labs нацелена на авиацию (интерьеры, пока), биомедицину и промышленную автоматизацию (упаковочные машины), а также досуг/люкс (моторспорт, спортивная обувь, очки). Этот последний рынок, по словам Каволины, «где нужны структурные композиты, но требования не такие строгие, как в авиации». Цитирует качающуюся руку на фото. «Это кронштейн для неавиационной структуры, представляющий структурное приложение, которое можно произвести оптимизированным образом с нашей технологией», — объясняет он. «Получается из алюминиевой детали, топологически оптимизированной для снижения веса ориентацией углеродных волокон согласно нагрузочному случаю. Можно сэкономить стоимость, потому что можно уменьшить количество углеродного волокна по сравнению с другими композитными процессами. Нельзя сделать другими средствами, потому что другие методы не позволяют ориентировать каждое волокно так, как нужно, в высоком разрешении».

Четыре разных укладки непрерывного углеродного волокна чередуются по толщине CFRP-кронштейна, напечатанного на Red Series 9T Labs. ИСТОЧНИК: 9T Labs.

Каволина отмечает, что этот кронштейн содержит более 40 слоев волокна и полимера, «и мы можем иметь разную ориентацию волокон в каждом слое. Попробовали четыре разные укладки, не ограничиваясь квази-изотропными. Эта свобода позволяет использовать анизотропию композитов для дальнейшей оптимизации конечной структуры. Невозможно сделать это другими текущими производственными методами».

Он также указывает, что 3D-печать CFRP — автоматизированный процесс по сравнению с ручной укладкой. «Наша технология драматически снижает ручной труд через автоматизированную укладку», — говорит Каволина. «С нашей технологией вы просто печатаете, консолидируете и готово».

Red Series печатает меньшие, сложные, монолитные CFRP-преформы, которые затем консолидируются во втором шаге для масштабируемого промышленного серийного производства. ИСТОЧНИК: 9T Labs.

Размер печати Red Series, скорость и полный запуск

Red Series нацелена на меньшие, монолитные детали для серийного производства в области печати 350 мм на 300 мм. «здесь мы видим в данный момент наибольшую добавленную ценность для наших клиентов», — объясняет Каволина.

Как насчет скорости печати? «Мы говорим очень конкретно о производстве в ближайшие 1-2 года 4000–8000 деталей в год для разных клиентов, достигнутых с двойными блоками Red Series», — говорит Каволина. «Потому что мы разделили производство сложных, детализированных преформ от консолидации, теперь можно быстро раскачивать производственный объем».

«Мы потратили много времени на анализ структуры затрат нашего процесса, включая оборудование, труд и материалы», — отвечает он. «У нас доступная стоимостная структура оборудования и автоматизирован процесс преформирования. Используем материалы, которые наиболее доступны и эффективны, а затем снижаем количество материала, ориентируя волокна по нагрузочному случаю и используя структурную оптимизацию. Тщательно работаем с партнерами по структурной и процессной симуляции и видим, что это продолжит расти как большая часть производственной цели использования технологии цифрового двойника для plug-and-play с производственными линиями и ячейками 4.0».

Red Series запустится в 2020 году. «Сейчас мы оцениваем её через программы коллаборации с производственными партнерами. Сертифицируем детали и процессы с ними, поэтому они зарезервировали первые слоты для машин Red Series и будут использовать их для производства своих конечных продуктов».