Komposit pencetakan 3D dengan serat kontinu

CW telah menulis tentang komposit cetak 3D yang diperkuat serat terus menerus sejak 2014, ketika MarkForged merilis printer Mark One di konferensi SolidWorks World (26-29 Januari 2014). Kami kemudian membahas Arevo dan pengembangan pencetakan multi-sumbu menggunakan serat kontinu, termasuk dalam arah-z dan sepanjang kontur melalui lengan robot. Tahun ini, kami menulis tentang Orbital Composites dan kerjanya dengan Pusat Teknologi Komposit dalam mencetak komposit serat kontinu.

Namun, ada perusahaan yang telah mencetak komposit berkelanjutan sejak 2012. CW sebenarnya menerbitkan bilah sisi pendek tentang Komposit Berkelanjutan (Coeur D'Alene, ID, AS) pada Januari 2017 tetapi pencapaiannya layak untuk didiskusikan lebih lama:

• Mencetak dalam tiga dimensi dengan serat kontinu apa pun termasuk aramid, kaca (GF) dan serat karbon (CF), tembaga, nikrom kawat dan serat optik .
• Menggunakan resin termoset UV-cure untuk memungkinkan pencetakan dan pencetakan berkecepatan tinggi tidak didukung ke luar angkasa .
• Memungkinkan pembuatan komposit tanpa cetakan, di luar autoklaf, dan pengoptimalan jalur pemuatan
• Demonstrasikan di AutoDesk University 2017 dalam bentuk cetak 3D , multimaterial (cangkang CF/ABS cincang, rangka rangka GF/epoksi kontinu) rudder lengkap dengan serat optik tercetak yang bisa merasakan dan mengkomunikasikan perubahan suhu, tekanan, akselerasi dan konduktivitas listrik .

SUMBER untuk semua gambar:Komposit Berkelanjutan

CF3D

“Kami menggabungkan kekuatan material komposit dengan proses pencetakan 3D menggunakan robotika canggih,” kata CEO Continuous Composites Tyler Alvarado. Perusahaan telah merek dagang Continuous Fiber 3D Printing sebagai CF3D. “CF3D menghamili serat di dalam kepala dan menyembuhkan segera setelah pengendapan material,” jelasnya. “Kami tidak dibatasi untuk mencetak melalui irisan 2D sehingga kami dapat memanfaatkan sepenuhnya sifat anisotropik material komposit dengan mengarahkan serat secara terpisah ke segala arah.”

Alvarado mencatat juga dimungkinkan untuk menyetel resin termoset untuk setiap aplikasi pelanggan, misalnya, meningkatkan modulus, atau sebagai alternatif, ketangguhan, atau bahkan sifat tahan api. CF3D juga dapat dicetak dengan resin termoplastik dan Continuous Composites telah mendemonstrasikan pencetakan dengan bahan termoset dan termoplastik dalam struktur yang sama .

“Kami mencapai 50-60% volume serat ,” kata Alvarado, yang menambahkan variabel . itu pemadatan dari laminasi yang dicetak telah dimasukkan ke dalam kepala cetak. “Saat kami mencetak struktur di ruang kosong, kami tidak memadatkan alat, jadi konsolidasi berbeda. Jalur pertama untuk sebuah struktur tidak didukung, dan oleh karena itu, membutuhkan sedikit tekanan karena tidak ada yang perlu ditekan. Namun, lapisan berikutnya dapat memberikan tekanan untuk pemadatan.”

Pada tahun 2016 dan 2017, Continuous Composites membangun sel manufaktur robot dengan peningkatan kontrol gerak dan membangun volume. Seperti semua pencetakan 3D, perangkat lunak menghasilkan kode untuk pergerakan mesin. Namun, karena pembuatan jalur pahat jauh berbeda di CF3D, Komposit Berkelanjutan mengembangkan perangkat lunaknya sendiri. “Solusi siap pakai tidak berfungsi untuk pembuatan jalur alat serat berkelanjutan karena kami tidak lagi terbatas pada menumpuk irisan 2D,” Alvarado menjelaskan. Perangkat lunak CF3D juga mengotomatiskan lampu UV untuk pengawetan resin, pemotongan filamen cetak bila perlu, dan kontrol tekanan pemadatan.

“Kepala cetak baru yang kami kembangkan jauh lebih aktif,” kata Alvarado. “Efektor akhir baru kami memiliki penegangan adaptif dan kontrol dinamis pengiriman resin .”

Alvarado mengatakan CF3D dapat mencetak 16 derek lebar menggunakan 12K karbon derek dan resin epoksi. Ini telah menghasilkan sampel setebal 3 lapis dengan porositas kurang dari 1% dan kuat tarik rata-rata sebesar 111 ksi. Pengujian mekanis ini dilakukan sebagai bagian dari proyek 2017 untuk kontraktor Departemen Pertahanan AS. “Kami terus meningkatkan dan berharap untuk segera melampaui 200 ksi,” Alvarado menegaskan. “Kami juga telah menyelesaikan pengujian api, asap, dan toksisitas (FST) untuk aplikasi interior ruang angkasa,” tambahnya.

Struktur penginderaan

Teknologi CF3D memfasilitasi pencetakan struktur komposit multifungsi. Misalnya:kawat tembaga kontinu dapat dicetak ke elektronik daya, kawat nichrome kontinu dapat dicetak untuk menanamkan panas untuk aplikasi anti-icing atau serat optik kontinu dapat dicetak untuk pemantauan kesehatan struktural (SHM) waktu nyata dan optimalisasi kinerja komposit struktur.

Continuous Composites mencetak demo airfoil di atas pada tahun 2017 termasuk:

• Berkelanjutan rangka penopang serat kaca dicetak tanpa penyangga dari atas ke bawah airfoil.
• Kontinu menghidupkan kabel tembaga Lampu LED di bagian depan.
• Kabel nikrom untuk anti-icing terdepan.
• Fiber optik pada kulit bagian atas yang dapat digunakan untuk mengumpulkan data.

Pada November 2017, Continuous Composites, Form Forge (Portland, OR, US) dan AutoDesk berkolaborasi untuk menghasilkan rudder komposit penginderaan sebagai bagian dari pameran “Making Waves” dengan Livrea Yacht (Palermo, Italia) pada konferensi tahunan AutoDesk University.

Kemudi kira-kira setinggi 4,5 kaki, dicetak dengan 20% ABS yang diperkuat serat karbon cincang (acrylonitrile butadiene styrene) termoplastik untuk cangkang atau kulit, dan serat kaca kontinu untuk penyangga rangka struktural. Tim juga mencetak serat optik canggih ke dalam kemudi.

Kemudi yang sudah selesai ditampilkan di stand di AutoDesk U. “Kami membiarkan penonton menyentuhnya , dan sensor kemudi mengumpulkan 5 Gigabytes data selama 2 hari, melacak suhu , percepatan dan perubahan stres ,” kenang Alvarado. “Dengan menyematkan fungsi ini, kami dapat mengumpulkan dan menganalisis kinerja struktur untuk pemantauan kesehatan waktu nyata dan pengoptimalan kinerja.”

Jadi pikirkan sejenak, kemudi dan foil di kapal pesiar balap Anda sekarang dapat memasukkan data aktual kembali ke analisis dinamika fluida komputasi (CFD) dan perangkat lunak desain untuk secara cerdas mengoptimalkan desain struktur individu dan kinerja kapal secara keseluruhan. Dan, tentu saja, kemudi dan foil bisa berupa pesawat terbang atau struktur otomotif.

“Kami ingin menunjukkan kemampuan kami untuk menggabungkan teknologi CF3D dengan banyak bahan dan berbagai mode manufaktur aditif dalam satu sel,” kata Alvarado. Dia mencatat fleksibilitas untuk menyetel resin termoset juga ditunjukkan dengan memodifikasi resin yang digunakan dengan serat kontinu untuk melekat ke serat/ABS yang dicincang.

Masa Depan Manufaktur

Continuous Composites berani dalam visi masa depan untuk CF3D. Ia melihat teknologi sebagai memungkinkan manufaktur lokal dan kebangkitan manufaktur Amerika, tetapi juga jalan menuju lebih berkelanjutan proses produksi. “Teknologi kami memecahkan banyak masalah yang ditemukan dalam metode manufaktur komposit tradisional,” kata Alvarado. “Kami telah mengotomatiskan peletakan serat ke segala arah, membuka kemungkinan desain serta menghilangkan kebutuhan akan cetakan, otoklaf, dan oven yang mahal.” Dia menambahkan bahwa dengan menghilangkan batasan ini, CF3D dapat menggabungkan beberapa komponen menjadi satu bagian cetak dan menyematkan fungsionalitas, semuanya dalam satu proses manufaktur. “Teknologi kami adalah metode manufaktur baru yang muncul yang akan mengganggu banyak industri.”

Alvarado mengatakan Continuous Composites bekerja dengan berbagai perusahaan untuk mengembangkan ekosistem teknologi termasuk OEM, vendor mesin, integrator robotika, pemasok material, dan perusahaan perangkat lunak. “Kami memiliki 7 paten yang diberikan dengan 76 non-sementara aplikasi paten tertunda dan tambahan 11 sementara aplikasi paten tertunda, mencakup lebih dari 250 paten dan konsep yang menunggu paten . Kami terus mengembangkan teknologi kami dan berusaha menerapkan teknologi kami untuk perusahaan di semua industri, termasuk dirgantara, otomotif, pertahanan, konstruksi, dll.”