Продвижение 3D-печати: производство композитов с непрерывным волокнистым усилением

CW пишет о 3D-печати композитов с непрерывным волокнистым усилением с 2014 года, когда MarkForged выпустила принтер Mark One на конференции SolidWorks World (26–29 января 2014). Затем мы освещали Arevo и ее разработку многоосевой печати с непрерывным волокном, включая в Z-направлении и по контурам через роботизированную руку. В этом году мы писали об Orbital Composites и ее работе с Центром технологий композитов в печати композитов с непрерывным волокном.

Однако есть компания, печатающая в непрерывных композитах с 2012 года. CW фактически публиковала короткую боковую статью о Continuous Composites (Кур д'Ален, штат Айдахо, США) в январе 2017, но ее достижения заслуживают более длительного обсуждения:

• Печать в трех измерениях с любым непрерывным волокном, включая арамид, стекловолокно (СВ) и углеродное волокно (УВ), медь, нихром проволоку и волоконную оптику.
• Использует УФ-отверждающиеся термореактивные смолы для высокоскоростной печати и печати без опор в пространство.
• Позволяет бесформенное, вне автоклава производство композитов и оптимизацию путей нагрузки.
• Продемонстрировала на AutoDesk University 2017 3D-напечатанный, много-материальный (оболочка из рубленого УВ/ABS, структурные фермы из непрерывного СВ/эпоксид) руль с напечатанной волоконной оптикой, которая может чувствовать и передавать изменения в температуре, давлении, ускорении и электрической проводимости.

CF3D

«Мы объединяем силу композитных материалов с процессом 3D-печати, используя передовые робототехнику», — говорит CEO Continuous Composites Тайлер Альварадо. Компания запатентовала свою непрерывную 3D-печать волокна как CF3D. «CF3D пропитывает волокно внутри головки и отверждает немедленно после осаждения материала», — объясняет он. «Мы не ограничены печатью через 2D-слои, поэтому можем полностью использовать анизотропные свойства композитных материалов, дискретно ориентируя волокна в каждом направлении».

Альварадо отмечает, что также возможно настройка термореактивных смол для каждого применения клиента, например, повышение модуля, или, альтернативно, вязкости, или даже свойств огнестойкости. CF3D также подходит для печати с термопластичными смолами, и Continuous Composites продемонстрировала печать с термореактивными и термопластичными материалами в одной структуре.

«Мы достигаем 50–60% объемного содержания волокна», — говорит Альварадо, добавляя, что переменная уплотнение напечатанного ламината включено в печатающую головку. «Когда мы печатаем структуру в свободном пространстве, мы не уплотняем против инструмента, поэтому консолидация иная. Первый путь для структуры неподдерживаемый, и поэтому требует малого давления, потому что нет ничего, к чему прижимать. Последующие слои могут иметь давление для уплотнения».

В 2016 и 2017 годах Continuous Composites построила роботизированную производственную ячейку с увеличенным контролем движения и объемом сборки. Как и во всей 3D-печати, ПО генерирует код для движения машины. Однако, поскольку генерация путей инструмента сильно отличается в CF3D, Continuous Composites разрабатывает свое ПО. «Готовые решения не работают для генерации путей инструмента непрерывного волокна, так как мы больше не ограничены наложением 2D-слоев», — объясняет Альварадо. ПО CF3D также автоматизирует УФ-свет для отверждения смолы, резку печатного филамента при необходимости и контроль давления уплотнения.

«Новая печатающая головка, которую мы разработали, намного более активна», — говорит Альварадо. «Наш новый конечный эффектор имеет адаптивное натяжение и динамический контроль подачи смолы».

Альварадо говорит, CF3D может печатать 16 токов шириной с использованием 12K углеродного тока и эпоксидной смолы. Она произвела 3-слойные образцы с пористостью менее 1% и средней растяжной прочностью 111 ksi. Это механическое тестирование было частью проекта 2017 года для подрядчика Минобороны США. «Мы продолжаем улучшать и ожидаем скоро превысить 200 ksi», — утверждает Альварадо. «Мы также завершили тестирование на горючесть, дым и токсичность (FST) для аэрокосмических внутренних применений», — добавляет он.

Чувствующие структуры

Технология CF3D облегчает печать многофункциональных композитных структур. Например: непрерывная медная проволока может быть напечатана для питания электроники, непрерывная нихромовая проволока — для встраивания тепла для противообледенительных применений, или непрерывная волоконная оптика — для мониторинга структурного здоровья (SHM) в реальном времени и оптимизации производительности композитной структуры.

Continuous Composites напечатала демонстрационный профиль крыла выше в 2017 году, включая:

• Непрерывные стекловолокнистые фермы поддержки, напечатанные без поддержки от верха к низу профиля.
• Непрерывная медная проволока питания светодиодов на переднем крае.
• Нихромовая проволока для противообледенения на переднем крае.
• Волоконная оптика на верхней коже для сбора данных.

В ноябре 2017 года Continuous Composites, Form Forge (Портленд, штат Орегон, США) и AutoDesk сотрудничали для производства чувствующего композитного руля как части выставки «Making Waves» с Livrea Yacht (Палермо, Италия) на ежегодной конференции AutoDesk University.

Руль был примерно 4,5 фута высотой, напечатан с 20% рубленым углеродным волокном-усиленным ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирол) термопластиком для оболочки или кожицы, и непрерывным стекловолокном для структурных ферм поддержки. Команда также напечатала продвинутую волоконную оптику в руль.

Готовый руль был выставлен на стенде AutoDesk U. «Мы позволили аудитории трогать его, и датчики руля собрали 5 гигабайт данных за 2 дня, отслеживая температуру, ускорение и изменения напряжения», — рассказывает Альварадо. «Встраивая эту функциональность, мы можем собирать и анализировать производительность структуры для мониторинга здоровья в реальном времени и оптимизации производительности».

Так подумайте на минуту: руль и фойлы на вашей гоночной яхте теперь могут передавать реальные данные обратно в ваш CFD-анализ (вычислительная гидродинамика) и дизайнерское ПО для интеллектуальной оптимизации дизайна индивидуальной структуры и общей производительности лодки. И, конечно, руль и фойлы могли бы быть вместо этого авиационными или автомобильными структурами.

«Мы хотели продемонстрировать нашу способность объединять технологию CF3D с множественными материалами и множественными режимами аддитивного производства в одной ячейке», — говорит Альварадо. Он отмечает гибкость настройки термореактивных смол, также продемонстрированную модификацией смолы, использованной с непрерывным волокном для приклеивания к рубленому волокну/ABS.

Будущее производства

Continuous Composites смела в своем будущем видении CF3D. Она видит технологию как позволяющую локальное производство и возрождение американского производства, но также путь к более устойчивым производственным процессам. «Наша технология решает многие проблемы, найденные в традиционных методах производства композитов», — говорит Альварадо. «Мы автоматизировали укладку волокна во всех направлениях, открывая дизайнерские возможности и устраняя необходимость в дорогих формах, автоклавах и печах». Он добавляет, что устраняя эти ограничения, CF3D может объединять множественные компоненты в одну напечатанную деталь и встраивать функциональность, всё в одном производственном процессе. «Наша технология — новый, возникающий метод производства, который разрушит многие отрасли».

Альварадо говорит, Continuous Composites работает с различными компаниями для разработки технологической экосистемы, включая OEM, поставщиков станков, интеграторов робототехники, поставщиков материалов и программных компаний. «У нас 7 выданных патентов с 76 непредварительными патентными заявками в процессе и дополнительными 11 предварительными патентными заявками в процессе, охватывающими более 250 запатентованных и патент-пендинг концепций. Мы продолжаем развивать нашу технологию и ищем развертывание нашей технологии у компаний по всем отраслям, включая аэрокосмику, автопром, оборону, строительство и др.».