Continuous Fiber Manufacturing (CFM) dengan komposit moi

Pencetakan dan deposisi serat 3D berkelanjutan mendapatkan momentum. Seiring bertambahnya jumlah perusahaan yang menggunakan dan memajukannya, teknologi ini pasti akan membentuk industri komposit.

Pertama, ia menawarkan fabrikasi tanpa cetakan atau perkakas. Kedua, ia menawarkan struktur multifungsi (misalnya, konduktivitas listrik, perubahan bentuk, penginderaan). Ketiga, ini membuka pintu ke dunia manufaktur hibridisasi — misalnya, laminasi di atas pencetakan 3D dan penggilingan saat mencetak — serta lanskap pengembangan material yang hampir tak ada habisnya, dari serat paduan memori bentuk Nitinol (SMA) hingga solusi nanokomposit konduktif untuk pemodelan deposisi cair (LDM). Yang terakhir adalah seluruh dunia itu sendiri yang akan saya kunjungi kembali di blog mendatang.

Paten WO2017085649A1 dan sistem pencetakan Atropos. SUMBER:komposit moi.

Komposit Moi didirikan pada Februari 2018 oleh insinyur material dan profesor Marinella Levi, insinyur desain Gabriele Natale dan arsitek Michele Tonizzo. Pada tahun 2013, profesor Levi mulai bekerja dengan pencetakan 3D di Politecnico di Milano (Milan, Italia). Pada tahun 2014, ia telah membentuk +LAB di Departemen Kimia, Material dan Teknik Kimia universitas "Giulio Natta". Visinya adalah menggabungkan R&D, pengajaran, dan inovasi bahan dengan menyatukan para insinyur, desainer, peneliti, dan pembuat ke dalam pusat pencetakan 3D kolaboratif multidisiplin.

2014 Alat pertama untuk pencetakan 3D komposit termoset serat kontinu 2015 Paten WO2017085649A1 2016 Kemitraan dengan Owens Corning dan KUKA Robotics,
Atropo proyek dan sistem pencetakan 2017 Penghargaan Inovasi JEC, kemitraan dengan Autodesk,
runner-up penghargaan James Dyson,
Kemitraan dengan otomatisasi COMAU
(Garis waktu penuh)

“Kami memulai komposit moi karena kami ingin memproduksi suku cadang komersial dan terlibat dalam proyek internasional,” jelas Michele Tonizzo. “Kami telah menemukan ada banyak pasar. Kami membuat komponen biomedis serta suku cadang untuk aplikasi kelautan, minyak &gas, dan luar angkasa, terutama menggunakan serat kaca. Teknologi CFM mampu menghasilkan solusi unik yang tidak mungkin dilakukan dengan metode tradisional."

Bilah baling-baling cetak 3D dengan rangka struktural internal menggunakan serat kaca kontinu (atas). Proyek ini juga menunjukkan penempatan serat di sepanjang kurva nonlinier (kiri bawah) dan laminasi serat kontinu dengan orientasi serat tradisional (mis., 0°,+45 °, -45°, 90°, kanan bawah). SUMBER:komposit moi

Rangkaian resin dan serat

Atropos mendemonstrasikan kemampuan untuk mencetak polimer termoset yang terputus-putus dan terus menerus diperkuat serat tidak hanya lapis demi lapis, tetapi juga di sepanjang kurva nonlinier. Itu menggunakan sinar ultraviolet (UV) untuk menyembuhkan polimer di tempatnya. “Saat ini kami dapat mencetak dengan UV-cure dalam epoksi, akrilik, dan vinilester,” kata Tonizzo. Dia mencatat bahwa akrilik bekerja dengan baik untuk bagian arsitektur karena bening dan tidak memerlukan suhu untuk curing/post-cure. Vinylester digunakan untuk suku cadang laut dan epoksi untuk suku cadang minyak &gas dan ruang angkasa.

“Untuk beberapa aplikasi, UV curing hanyalah tahap awal dan kemudian kita post-cure dengan pemanasan konvensional,” Tonizzo mengamati. “Kami tidak terikat dengan UV curing. Kami telah mencetak dengan polimer pengawet non-UV dan memahami bahwa untuk aplikasi properti yang lebih tinggi, kami memerlukan opsi matriks yang berbeda.” Sebagai referensi, suhu transisi gelas (Tg) untuk resin yang paling umum digunakan, vinilester, adalah sekitar 140°C.

“Kami juga bekerja dengan serat karbon tetapi tidak dengan resin pengawet UV,” kata Tonizzo. Dia menunjukkan bahwa transparansi serat dan warna mempengaruhi penyembuhan UV. “Masalah dengan karbon adalah bahwa itu buram dan hitam. Ini adalah kombinasi terburuk. Kami ingin mengembangkan solusi terbaik untuk serat karbon sebagai bahan, bukan hanya teknologi termudah yang bekerja. Ada banyak pilihan bahan pengawet lain yang dapat kami gunakan, jadi kami sedang menyelidikinya.”

Komposit saya dapat mencetak serat konduktif kontinu untuk fungsi listrik/termal, penginderaan, perubahan bentuk, dll. SUMBER:komposit moi.

Komposit Moi telah mencetak serat kaca kontinu hingga 2400 tex (207 yd/lb dengan diameter maksimum 24 m per lembar data Owens Corning) dan sedang menguji serat alami. Itu juga dicetak dengan serat basal. “Kami dapat mencetak dengan sangat baik dengan UV cure dan serat basal karena sebenarnya agak transparan dan lebih cokelat daripada hitam,” jelas Tonizzo.

Serat yang menghantarkan arus listrik juga dapat digunakan dalam teknologi CFM. Mereka dapat ditempatkan sesuai kebutuhan dalam struktur yang sedang dicetak. Salah satu proyek yang terdaftar di situs +LAB menunjukkan serat Nitinol, yang merupakan paduan bentuk memori. “Jadi Anda bisa membuat struktur yang berubah bentuk,” kata Tonizzo. “Misalnya, Anda dapat menggunakannya untuk melepaskan tegangan pada serat lain, seperti pada beton prategang.”

Pencetakan 3D sebagai bagian dari manufaktur hibrid

Atropos menggunakan lengan robot Kuka dengan amplop cetak setinggi 0,5 x 0,5 x 0,5 m. “Kami sekarang mencetak pada robot Comau dengan amplop setinggi 1,0 x 0,5 x 0,8 m, yang merupakan sistem generasi kedua,” kata Tonizzo. “Kami juga telah menggunakan robot yang lebih besar dengan meja putar dan membuat volume dengan tinggi 1,5 x 1,5 x 1 m dan menunjukkan bahwa teknologi kami mudah diskalakan.”

Moi juga mengembangkan generasi ketiga, print head all-in-one dengan sistem untuk menerapkan tekanan pada serat, sensor, mekanisme pemotongan dan alat penggilingan. Tonizzo mengatakan ini akan menutup kesenjangan antara pencetakan 3D dan penempatan serat otomatis (AFP ). “Pencetakan 3D tidak mencapai kinerja AFP, tetapi CFM menawarkan lebih banyak fleksibilitas. Kami sudah dapat mencetak dengan serat dengan ketebalan .25mm dan memiliki kemampuan untuk membuat lekukan dan menempatkan serat kontinu pada posisi yang ideal,” tambahnya.

SuPeRIOR adalah prostetik tungkai bawah dioptimalkan untuk berat minimum, defleksi dan biaya.
Inti struktural yang dicetak 3D kemudian dilaminasi dengan serat karbon dan resin epoksi diikuti dengan pengawetan VBO. SUMBER:komposit moi.

“Pencetakan 3D harus digunakan untuk hasil terbaiknya,” kata Tonizzo, “termasuk mengoptimalkan alur kerja. Misalnya, Anda dapat mencetak 3D inti internal dengan undercut dan arah serat cerdas. Anda kemudian menggunakan laminasi tangan umum di atas dan menyembuhkan dalam autoklaf atau dengan kantong vakum saja. Dia menjelaskan bagian yang tidak mungkin dibuat secara konvensional dengan cetakan. “Kami mencetak inti internal dan kemudian membungkusnya dalam laminasi dan autoklaf menyembuhkannya pada 110 ° C dan tekanan 2 bar selama beberapa jam. Bagiannya menjadi luar biasa.” Bagian ini tercakup dalam perjanjian kerahasiaan, jadi tidak ada rincian lebih lanjut yang tersedia, tetapi saya telah memproduksi prostetik SuPeRIOR dengan cara yang sama, yang diproses tidak dalam autoklaf tetapi dengan kantong vakum saja (VBO). “Semua bagian dalam menggunakan satu serat kaca kontinu,” jelasnya, “tetapi laminasi luarnya adalah kain serat karbon hand layup dan resin epoksi.” Seluruh desain mengurangi defleksi dan meningkatkan penyesuaian sekaligus memangkas biaya dan waktu produksi secara signifikan.

Perangkat lunak pengoptimalan berbasis Voxel

Tonizzo menjelaskan bahwa proses desain bagian menggabungkan algoritme berbasis voxel Autodesk dengan algoritme moi untuk pengoptimalan tegangan dan jalur. Inilah yang menghasilkan jalur serat yang dioptimalkan untuk struktur. Perangkat lunak ini juga berfungsi untuk memilih jalur yang paling memungkinkan untuk diproduksi. “Ini adalah proses berulang,” kata Tonizzo. “Desainnya tidak sepenuhnya otomatis seperti desain generatif. Masih membutuhkan insinyur untuk membuat pilihan. Tapi menurut saya memang seharusnya begitu — desainer dan perangkat lunak digabungkan, bukan hanya AI saja.”

Masa depan multi-material, potensi pasar yang kuat

Dalam salah satu gambar dari bilah baling-baling yang dicetak Atropos, ada close up yang menunjukkan pola yang hampir seperti anyaman. “Ini sebenarnya tidak ditenun tetapi akan segera mungkin,” kata Tonizzo. Dia mengarahkan saya ke proyek gelombang sinus di situs +LAB. “Para demonstran yang ditampilkan dicetak 3D dalam plastik dengan serat pendek dan proses LDM [liquid deposition modeling] saat menjadi peneliti di +LAB. Algoritme yang kami gunakan saat itu sama dengan yang sekarang kami kembangkan dengan continuous fiber.”

Sine Wave+LAB mendemonstrasikan pola isi polimer cetak 3D dengan respons elastis yang dapat disetel. SUMBER:+LAB.

Jelas dari situs web +LAB, bahwa inovasi material dan kemungkinan untuk jenis pencetakan ini hampir tidak terbatas. Pertanyaannya adalah apa yang akan menawarkan peluang dan potensi paling besar untuk solusi permintaan tinggi. Sementara itu, pemasok material mendukung pengembangan yang berkelanjutan. Misalnya, Owens Corning tertarik untuk mendemonstrasikan serat kaca dengan lebih banyak matriks, seperti keramik dan beton. Jelas, ini sangat menarik untuk aplikasi bangunan dan konstruksi, dan dapat memiliki potensi signifikan mengingat tren fabrikasi digital dan konstruksi hemat energi saat ini, modul prefabrikasi di luar lokasi, dan peningkatan keberlanjutan melalui bahan alami dan daur ulang, yang semuanya menekankan ringan. “Departemen Giulio Natta di Politecnico di Milano sedang dalam proyek UE untuk mencetak geopolimer yang berperilaku seperti beton,” tambah Tonizzo. “Mereka disembuhkan sendiri dengan waktu tetapi memiliki konsistensi seperti tanah liat selama pencetakan untuk aliran yang lebih baik. Kami pasti akan terus bekerja di bidang ini, serta dengan polimer dan serat baru.”

Komposit saya adalah juga mencetak dengan geopolimer, yang berperilaku seperti beton.
SUMBER:+LAB.

Apakah Anda akan menjual mesin? “Ya, tapi di masa depan,” kata Tonizzo. “Untuk saat ini, kami memproduksi suku cadang dan membawa teknologi ke fasilitas klien, menggunakan pengetahuan, kepala cetak, dan perangkat lunak kami untuk mewujudkan solusi suku cadang sesuai permintaan.” Dia menambahkan bahwa setelah bekerja tahun lalu untuk meningkatkan teknologi dengan pengadopsi awal CFM, dan menunjukkan kasus bisnis untuk banyak bagian yang berbeda di pasar yang berbeda, komposit moi sekarang mencari investor untuk skala lebih lanjut mesin dan proses CFM untuk peluang pasar komersial.