Революция в производстве композитов: магнитная 3D-печать для адаптированных материалов

Fortify (Бостон, Массачусетс, США) была основана в 2016 году на основе исследований 3D-печати композитов Джоша Мартина (CEO Fortify) и Рэндалла Эрба, директора лаборатории DAPS в Северо-восточном университете в Бостоне. (Эрб также сооснователь и Boston Materials и Fortify.) Их цель — обеспечить быстрое производство композитов с оптимизированными микроструктурами. Патентованная технология Fluxprint, которую они разработали, использует магнитные поля и цифровую световую обработку (DLP) — но с высоконаполненными смольными системами — для производства кастомных микроструктур в высокорезультационных 3D-печатных композитных деталях.

Fluxprint против DLP

И DLP, и стереолитография (SLA) в настоящее время рассматриваются как 3D-печатные технологии, предлагающие наибольшую сложность и точность деталей. Обе полагаются на использование света — обычно ультрафиолета (UV) — для отверждения фоточувствительной смолы, которая обычно состоит из эпоксидных или акрилатных и метакрилатных мономеров. Свет цифрово направляется, чтобы светить на смолу в баке системы для создания форм или паттернов для каждого слоя. Фабрикационная платформа движется после каждого слоя, позволяя печатать следующий слой и приходя к законченной твердой детали.

DLP проекторы и SLA датируются началом 3D-печати в 1980-х. DLP принтеры склонны быть больше, потому что они содержат настоящий световой проектор. Большинство SLA и DLP машин используют термореактивные полимеры, но EnvisionTEC делает принтер, который может также использовать термопластики. Оба традиционно использовали чистые полимеры без армирования.

«DLP платформы способны на достаточные темпы производства и качество», — говорит CEO Fortify Джош Мартин, «но механические свойства всегда были вызовом. Наша основная тезис в том, что ступенчатое изменение в производительности не будет достигнуто только химией полимеров. Однако использование уникальных свойств композитов в высокорезультационной аддитивной отрасли будет гейм-ченджером».

Он объясняет, что Fortify специализируется на UV-отверждении высоконаполненных технических смол с уникальными добавками и контролем ориентации этих свойств-улучшающих добавок в печати. Наполнители включают стекло, углерод и керамические волокна, а также частицы. Технические смолы включают акрилат и метакрилат-базированные (PMMA) или эпоксидные, катионные — которые Мартин объясняет как более обычные для промышленности покрытий. Топ производители смол по всему миру (BASF, DSM, Dupont и другие) сильно инвестируют в продвижение свойств их добавковых материалов. Fortify способен выбирать лучшие из этих достижений для добавления их армирующей технологии.

Почему воксель-за-воxel?

«У каждой геометрии уникальные состояния деформации и напряжения», — объясняет Мартин. «Большинство композитов ручно производятся для учета этого. Мы оцифровываем процесс. Например, если вы можете правильно армировать раму БПЛА, вы можете использовать меньше материала. Любое применение, работающее против гравитации, фундаментально выиграет от этого».

Воксель-за-воксель печать также несущественно высокого разрешения. «Это процесс производства композитов с самым высоким разрешением на сегодня», — говорит Мартин, отмечая, что fused deposition modeling (FDM) — где неармированное или мелковолокнисто-армированное пластиковое филамент плавится и наносится на печатающую платформу — имеет разрешение в сотнях микрометров, в то время как Fluxprint — в десятках микрометров. «Так что это улучшение на порядок, которое входит в территорию за пределами того, что воспринимается невооруженным глазом. Этот тип разрешения очень важен для широкого спектра конечных деталей».

«Мы предлагаем инструменты литья под давлением, которые значительно дешевле традиционно механически обработанных металлов, могут быть доставлены за долю времени и обеспечивают особенности, которые обычные практики механической обработки не смогли бы достичь», — продолжает Мартин. «Один клиент итерировал через 12 разных дизайнов в год, механически обработанных из алюминия. Мы сжали их время до рынка значительно, производя более дюжины дизайнов за несколько месяцев. Теперь они могут двигаться от дизайна к деталям на полке за несколько недель». Другое преимущество — способность армировать проекции, называемые «peg». Эти высокоаспектные выбросы часто вырываются. Армирование предотвращает это, сохраняя тесные допуски.

Читайте больше о преимуществах Fortify в инструментах литья под давлением в сестринском журнале CW Additive Manufacturing.

Открытые материалы, новые разработки

Fortify преследует открытый материальный подход. «Мы не хотим ограничивать способность наших клиентов к росту и исследованию в аддитиве», — объясняет вице-президент по применениям Fortify Карло Делос Рейес. «Мы гарантируем нашим клиентам гибкость и лучшие доступные материалы, принимая открытую инновацию».

«Мы партнерствуем с крупными производителями полимеров и адаптируем поверхностную химию добавок», — говорит Мартин. Он отмечает, что каждый наполнитель имеет свои плюсы и минусы касательно износостойкости, производительности при температуре и т.д. «Для волокон длина варьируется от нескольких мкм до нескольких мм в зависимости от применения. Где нам нужно поверхностное разрешение, мы используем более высокий процент меньших по длине добавок. Где мы можем позволить более грубую поверхность, но хотим оптимизировать для прочности на растяжение, например, мы используем более длинные волокнистые добавки».

Одна из стратегий Fortify — партнерство с лидерами отрасли и поставщиками для использования экспертизы и обеспечения перекрестного опыления идей. Fortify недавно анонсировал партнерство с DSM Additive Manufacturing (Хук-ван-Холланд, Нидерланды и Элгин, Иллинойс, США) для разработки высокопроизводительных композитных материалов, которые будут использованы в печатающих системах Fortify для достижения расширенной механической и температурной производительности. «Они расширят нашу палитру смол», — говорит Мартин, «и мы взволнованы работать с ними для разработки передовой смолы».

Z-направление армирования и применения

Fluxprint все еще печатает слоями. Так что возможно ли достичь Z-направления армирования? «Если вы печатаете 2-миллиметровые длинные волокна, вы не можете положить их в Z-направление», — говорит Мартин. «Но вы могли бы получить более короткие волокна в Z-ориентации. Мы смотрим на множественные масштабы длины и видим, что это развивается в будущем для оптимизированной передачи нагрузки».

Fortify уже производит детали для БПЛА, включая пропеллеры, и видит много больше таких применений в авиации. «У нас маленькая область сборки, поэтому мы фокусируемся на применениях, где мы можем легко встретить меньшие объемы деталей», — говорит Мартин. «Это зрелая экосистема, но мы предлагаем новый уровень производительности в механических свойствах при высоких температурах и допусках». Он цитирует возможность улучшить температуру деформации под нагрузкой детали и объясняет, что десятки подкапотных деталей в автопроме должны обеспечивать прочность и жесткость при воздействии 160°С температур. «Такие детали со сложными геометриями хорошо подходят для 3D-печати с нашей технологией. По сравнению с текущим методом литья и механической обработки деталей из PEI (полиэтеримида), мы предлагаем более высокую производительность, более короткое время выполнения и высокий потенциал для более низкой стоимости».

Инструментарий также текущий рынок, включая штампы, джиги и фокусы для литья под давлением. «Опять же, наши детали жестче, прочнее и имеют более высокую температурную стойкость, сохраняя размерную точность в службе», — говорит Мартин. «Но их реальная ценность лежит в не требовании значительной постобработки, такой как нужна при использовании EDM машин, и тем не менее они соответствуют качеству фокусов, сделанных этими традиционными методами, включая ЧПУ-фрезеровку».

Продвижение следующего поколения мультимасштабных, многофункциональных композитов

Fortify партнерствует с MultiMechanics (Омаха, Небраска, США), разработчиком мультимасштабного моделирования и симуляционного программного обеспечения для передовых материалов. Это партнерство интересно по нескольким причинам. Во-первых, Fortify будет использовать флагманский продукт MultiMechanics, MultiMech, для предсказания производительности деталей и оптимизации их дизайна и ориентации волокна перед печатью. Таким образом, MultiMech будет действовать для предоставления обратной связи для замкнутого итеративного дизайна, позволяя пользователям быстрее адаптировать и оптимизировать Fluxprint композитные детали. Fortify и MultiMechanics также планируют интегрировать MultiMech в INFORM Fortify генеративный дизайн и печать контрольное программное обеспечение. Таким образом, от дизайна к виртуальному тестированию к печати — все функции будут контролироваться в рамках единого цифрового потока.

Для второй точки важно понять, что MultiMechanics предлагает через свой MultiMech софт:

• Мультимасштабный конечный элементный анализ, включая моделирование практически неограниченного числа масштабов (например, нано, микро, слой, ламинат, деталь).

• Автоматическая генерация сложных 3D конечно-элементных микроструктур, и моделирование почти любой материальной микроструктуры, включая непрерывные и рубленые волокна, частицы, пустоты, пены, ткани и т.д.

• Моделирование эффектов микромасштабных конституентов, включая взаимодействия, объемные доли, распределение и ориентацию, плюс импорт pроцесс-индуцированных вариаций из программ (например, Moldex3D, Moldflow).

• Анализ того, как производственные вариации влияют на производительность детали и выполнение моделирования повреждений включая мультимасштабный переход микротрещин в макротрещины.

Это возвращается к тому, почему Мартин и Эрб начали Fortify в первую очередь. В их 2015 статье, «Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing» они заявляют:

Мартин и Эрб обсуждают природные композиты, которые используют прерывистые волокна и армирующие частицы, организованные в мультимасштабные, сложные архитектуры для достижения превосходных свойств против их конституентов. Пример, данный Кунфэн Чен в 2017 статье Materials Today, — перламутр в раковинах абалоне. Состоящий из 95% объема неорганического арагонита и 5% объема органической белковой матрицы, трещиностойкость перламутра в 3000 раз выше арагонита. Чен отмечает, что это показывает «эффект усиления» в механических свойствах, который идет далеко за пределами правила смесей в традиционных композитах.

В 2018 статье Advanced Materials, «Additive Manufacturing as a Method to Design and Optimize Bioinspired Structures», авторы Одри Веласко-Хоган, Джун Сю и Марк А. Мейерс утверждают, что иерархическая структура материалов как перламутр, кость, бамбук и раковины ракообразных — это то, что позволяет их впечатляющее сочетание прочности, модуля, легкости, вязкости и усталостной стойкости. Их конституентные частицы/филаменты и матрица организованы по-разному на каждом уровне (например, нано-, микро-, мезо-, макро-), варьируя свойства на каждом уровне (т.е. мультимасштабный композит). Когда комбинируется с эффективными интерфейсами между уровнями, эта иерархическая структура работает синергетически для сдерживания распространения трещин и усиления вязкости при сохранении твердости — чего не достигнуто в керамиках после примерно века попыток.

Будущее композитов и INFORM

Это будущее композитов: проектирование иерархических композитов с уникальными свойствами, адаптированных для точных применений. И это уже продвигается быстро. Например, Немецкий аэрокосмический центр (DLR) Институт структур и дизайна в Штутгарте также партнерствует с MultiMechanics для понимания того, как изменение температуры влияет на микроструктуру и материальное поведение керамических матричных композитов (CMC). Этот анализ считается критическим для будущих CMC компонентов DLR, включая сопла для ракет и термозащитные системы для аппаратов возвращения среди других. «Наша работа в MultiMechanics за последние десять лет была посвящена точному соединению микроструктурного поведения передовых материалов с общей производительностью детали и ее производством», — говорит доктор Флавио Суза, президент и CTO MultiMechanics. «MultiMech позволяет нам моделировать микроструктурные трещины и определять, как они повлияют на общий композитный компонент», — заявляет Нерад Джайн, руководитель группы в Департаменте керамических композитов и структур в DLR. «Эффективная интеграция MultiMech с нашими другими FEA инструментами вроде Abaqus и ANSYS увеличивает нашу продуктивность и приближает нас к нашей цели виртуальной оптимизации CMC материалов».

Как только эти композиты оптимизированы виртуально, они затем печатаются, с MultiMech, встроенным в INFORM софт Fortify, который уже ориентирован на органические, нагрузко-оптимизированные архитектуры через свою генеративную дизайн спину. (Обратите внимание, что бизнес-юнит Composite Materials Solvay также инвестировал в оба MultiMechanics и 3D-печатные технологии.)

«INFORM использует передовые алгоритмы для оптимизации ориентации волокна для каждой детали», — объясняет Мартин. «Где традиционно 3D-печатный рабочий процесс начинается с STL для нарезки дизайна, наш начинается с FEA (модели с напряжением и деформацией) и затем решает, какие воксели разделить этот смоделированный дизайн и как ориентировать волокна. Мы проходим через итерации, выравнивая волокна с векторами поля напряжения/деформации, и затем симулируем, как эта печать будет вести себя и используем эти данные для уточнения и оптимизации дизайна, достигая микроструктурного генеративного дизайна».

Только начало

Обратите внимание, что эти будущие композиты включают ряд материалов. Научно-исследовательская лаборатория флота (NRL, Арлингтон, Вирджиния, США) разрабатывает CMC используя керамическую матрицу с вторичным керамическим армированием через наночастицы и/или филаменты. Эти CMC могут также использовать непрерывное волокнистое армирование. Другими словами, разные конституенты и архитектуры могут использоваться на каждом уровне для усиленных вязкости и адаптированных электрических и тепловых свойств, требуемых (например, в гиперзвуке, читайте больше в моей июльской 2019 статье о нанокомпозитах).

Иерархические композиты также печатаются и тестируются с армированными эпоксидными чернилами и термопластичными полимерными матрицами. Это, возможно, самый большой вверх для Fortify как стартапа. Он не просто готовится к композитам будущего, он уже проектирует и производит их. И даже хотя то, что он уже достиг, впечатляет — это только начало.