Композитные материалы для 3D-печати с непрерывным волокном

CW пишет о композитах, армированных непрерывным волокном, для 3D-печати с 2014 года, когда MarkForged представила принтер Mark One на конференции SolidWorks World (26-29 января 2014 года). Затем мы рассмотрели Arevo и ее разработку многоосной печати с использованием непрерывного волокна, в том числе в направлении z и по контурам с помощью роботизированной руки. В этом году мы писали об Orbital Composites и его работе с Composites Technology Center в области печати композитов с непрерывным волокном.

Однако есть компания, которая печатает непрерывными композитами с 2012 года. CW фактически опубликовал короткую боковую панель на Continuous Composites (Coeur D’Alene, ID, US) в январе 2017 года, но его достижения заслуживают более продолжительного обсуждения:

• Трехмерная печать с использованием любого непрерывного волокна, включая арамид, стекло (GF) и углеродное волокно (CF), медь, нихром проволока и волоконная оптика .
• Использует термореактивные смолы, отверждаемые ультрафиолетом, для обеспечения высокоскоростной печати и без поддержки в космосе . .
• Позволяет производить композиты вне автоклавов без использования форм и оптимизировать путь загрузки.
• На выставке AutoDesk University 2017 был продемонстрирован напечатанный на 3D-принтере , мультиматериал (рубленая оболочка из CF / ABS, сплошные стропильные рамы из GF / эпоксидной смолы) руль в комплекте с печатным волоконно-оптическим кабелем который может почувствовать и сообщать об изменениях температуры, давления, ускорения и электропроводность .

ИСТОЧНИК для всех изображений:непрерывные композиты

CF3D

«Мы объединяем мощь композитных материалов с процессом 3D-печати с использованием передовой робототехники», - говорит генеральный директор Continuous Composites Тайлер Альварадо. Компания зарегистрировала свой товарный знак для непрерывной 3D-печати по волокну как CF3D. «CF3D пропитывает волокно внутри головки и отверждается сразу после осаждения материала», - поясняет он. «Мы не ограничены для печати с помощью 2D-фрагментов поэтому мы можем в полной мере использовать анизотропные свойства композитных материалов, дискретно ориентируя волокна во всех направлениях ».

Альварадо отмечает, что термореактивные смолы также можно настраивать для каждого приложения клиента, например, для повышения модуля упругости или, альтернативно, прочности или даже свойств огнестойкости. CF3D также можно печатать с помощью термопластичных смол . и Continuous Composites продемонстрировали печать как термореактивными, так и термопластичными материалами с одинаковой структурой . .

«Мы достигаем 50–60% объема волокна », - говорит Альварадо, добавляя эту переменную уплотнение напечатанного ламината было встроено в печатающую головку. «Когда мы печатаем структуру в свободном пространстве, мы не уплотняем инструмент, поэтому консолидация - другое дело. Первый путь конструкции не имеет опор и, следовательно, требует небольшого давления, потому что не на что давить. Однако к последующим укладчикам может прилагаться давление для уплотнения ».

В 2016 и 2017 годах компания Continuous Composites построила производственную роботизированную ячейку . с усиленный контроль движения и наращивать объем. Как и в случае с любой 3D-печатью, программное обеспечение генерирует код для движения машины. Однако, поскольку создание траектории инструмента в CF3D сильно отличается, Continuous Composites разрабатывает собственное программное обеспечение. «Стандартные решения не подходят для создания траекторий движения инструмента из непрерывного волокна, поскольку мы больше не ограничены штабелированием 2D-срезов», - объясняет Альварадо. Программное обеспечение CF3D также автоматизирует ультрафиолетовое излучение для отверждения смолы, обрезки печатной нити при необходимости и контроля давления уплотнения.

« Новая печатающая головка мы разработали гораздо активнее », - говорит Альварадо. «Наш новый концевой эффектор имеет адаптивное натяжение и динамический контроль доставки смолы . »

Альварадо говорит, что CF3D может печатать буксиры шириной 16 . с использованием 12K углерода паклю и эпоксидная смола. Были изготовлены трехслойные образцы с пористостью менее 1% . и средняя прочность на разрыв 111 тысяч фунтов на квадратный дюйм. Это механическое испытание было проведено в рамках проекта 2017 года для подрядчика Министерства обороны США. «Мы продолжаем совершенствоваться и в ближайшее время ожидаем, что показатель превысит 200 тыс. Фунтов на квадратный дюйм», - утверждает Альварадо. «Мы также завершили испытания на огнестойкость, дымность и токсичность (FST) для внутренних помещений в аэрокосмической отрасли», - добавляет он.

Чувствительные структуры

Технология CF3D упрощает печать многофункциональных композитных структур. Например:непрерывная медная проволока может быть напечатана для силовой электроники, непрерывная нихромовая проволока может быть напечатана для отвода тепла для защиты от обледенения или непрерывная волоконная оптика может быть напечатана для мониторинга состояния конструкции (SHM) в реальном времени и оптимизации производительности композитного материала. структура.

Компания Continuous Composites напечатала демонстрационный профиль аэродинамического профиля выше в 2017 году, в том числе:

• Непрерывно опорные фермы из стекловолокна, напечатанные без опоры сверху вниз от аэродинамического профиля.
• Непрерывное питание по медному проводу Светодиодные фонари на передней кромке.
• Нихромовая проволока для защиты от обледенения . на передней кромке.
• Волоконная оптика на верхней части кожи, которую можно использовать для сбора данных.

В ноябре 2017 года компании Continuous Composites, Form Forge (Портленд, Орегон, США) и AutoDesk совместно разработали чувствительный композитный руль направления . в рамках выставки «Making Waves» с компанией Livrea Yacht (Палермо, Италия) на ежегодной конференции AutoDesk University.

Руль направления был примерно 4,5 фута высотой, отпечатан с использованием 20% рубленого АБС, армированного углеродным волокном . (акрилонитрил-бутадиен-стирол) термопласт для оболочки или обшивки и непрерывное стекловолокно для несущих конструкций фермы. Команда также напечатала передовую волоконную оптику . в руль.

Готовый руль направления был выставлен на стенде в AutoDesk U. «Мы позволили аудитории прикоснуться к нему , а датчики руля собрали 5 гигабайт данных за 2 дня, отслеживание температуры , ускорение и стрессовые изменения - рассказывает Альварадо. «Встраивая эту функцию, мы можем собирать и анализировать производительность структуры для мониторинга работоспособности в реальном времени и оптимизации производительности».

Так что подумайте на минуту, руль и рапиры на вашей гоночной яхте теперь могут передавать фактические данные обратно в ваш анализ вычислительной гидродинамики (CFD) и программное обеспечение для проектирования, чтобы разумно оптимизировать дизайн отдельной конструкции и общие характеристики лодки. И, конечно же, руль направления и крылья могут быть авиационными или автомобильными конструкциями.

«Мы хотели продемонстрировать нашу способность сочетать технологию CF3D с несколькими материалами и несколькими режимами аддитивного производства в одной камере », - говорит Альварадо. Он отмечает, что гибкость настройки термореактивных смол была также продемонстрирована путем модификации смолы, используемой с непрерывным волокном, для адгезии к рубленому волокну / АБС.

Будущее производства

Continuous Composites выражает смелость в своем видении будущего CF3D. Он считает, что эти технологии позволят местное производство и возродят производство в Америке, но также и путь к более устойчивому производственные процессы. «Наша технология решает многие проблемы, присущие традиционным методам производства композитов», - говорит Альварадо. «Мы автоматизировали укладку волокна во всех направлениях, открыв новые возможности дизайна, а также устранив необходимость в дорогостоящих формах, автоклавах и печах». Он добавляет, что, удалив эти ограничения, CF3D может объединить несколько компонентов в одну печатную деталь и встроить функциональность в единый производственный процесс. «Наша технология - это новый, развивающийся метод производства, который революционизирует многие отрасли».

Альварадо говорит, что Continuous Composites работает с множеством компаний над созданием технологической экосистемы . включая OEM-производителей, поставщиков оборудования, интеграторов робототехники, поставщиков материалов и разработчиков программного обеспечения. «У нас есть 7 выданных патентов, из которых 76 не предварительные заявки на патенты находятся на рассмотрении и еще 11 предварительных заявки на получение патента на рассмотрении, охватывающие более 250 запатентованных и концепции, ожидающие получения патента . Мы продолжаем развивать наши технологии и стремимся внедрить наши технологии компаниям во всех отраслях, включая авиакосмическую, автомобильную, оборонную, строительную и т. д. »