Meningkatkan Cetak 3D: Manufaktur Komposit Terpelapis Serat Kontinu

CW telah menulis tentang komposit cetak 3D terpelapis serat kontinu sejak 2014, ketika MarkForged merilis printer Mark One di konferensi SolidWorks World (Jan 26-29, 2014). Kemudian kami membahas Arevo dan pengembangannya tentang cetak multi-axis menggunakan serat kontinu, termasuk di arah z dan di sepanjang kontur melalui lengan robot. Tahun ini, kami menulis tentang Orbital Composites dan kerjasamanya dengan Composites Technology Center dalam mencetak komposit serat kontinu.

Namun, ada perusahaan yang telah mencetak dalam komposit kontinu sejak 2012. CW sebenarnya menerbitkan sidebar singkat tentang Continuous Composites (Coeur D’Alene, ID, AS) di Jan 2017 namun prestasi mereka layak untuk diskusi yang lebih panjang:

• Mencetak dalam tiga dimensi dengan serat kontinu apa pun termasuk aramid, kaca (GF) dan serat karbon (CF), tembaga, kawat nichrome kayu dan serat optik.
• Menggunakan resin termoset yang menyuling UV untuk memungkinkan cetak kecepatan tinggi dan mencetak tanpa dukungan ke ruang angkasa.
• Mengaktifkan manufaktur komposit tanpa cetakan, out of autoclave dan optimasi jalur beban
• Demonstrasikan di AutoDesk University 2017 rudder dicetak 3D, multimaterial (cangkang CF/ABS yang dicetak, bingkai truss GF/epoxy yang kontinu) lengkap dengan serat optik yang dicetak yang dapat merasakan dan mengkomunikasikan perubahan suhu, tekanan, akselerasi dan konduktivitas listrik.

 

SUMBER untuk semua gambar: Continuous Composites

CF3D

 “Kami menggabungkan kekuatan bahan komposit dengan proses cetak 3D menggunakan robotika canggih,” kata CEO Continuous Composites Tyler Alvarado.  Perusahaan telah meregistrasi merk cetak serat kontinu 3D-nya sebagai CF3D. “CF3D mengimpregnasi serat dalam kepala dan menyuling segera setelah depo bahan,” jelasnya. “Kami tidak terbatas pada mencetak melalui iris 2D jadi kami dapat memanfaatkan sepenuhnya properti anisotropik bahan komposit dengan memutar serat secara diskret di setiap arah.”

Alvarado mencatat juga memungkinkan untuk menyesuaikan resin termoset untuk aplikasi setiap pelanggan, misalnya, meningkatkan modulus, atau sebaliknya, kekejutan, atau bahkan properti tahan api. CF3D juga dapat diterima untuk mencetak dengan resin termoplastik dan Continuous Composites telah menunjukkan pencetak dengan bahan termoset dan termoplastik dalam struktur yang sama.

“Kami mencapai 50-60% volume serat,” kata Alvarado, yang menambahkan bahwa komaksi variabel dari laminat yang dicetak telah diintegrasikan ke dalam kepala cetak. “Ketika kami mencetak struktur dalam ruang bebas, kami tidak menekan terhadap cetakan, jadi konsolidasi berbeda. Jalur pertama untuk struktur tidak didukung, dan oleh karena itu, membutuhkan sedikit tekanan karena tidak ada yang ditekan. Lapisan berikutnya, namun, dapat diberikan tekanan untuk komaksi.”

Pada 2016 dan 2017, Continuous Composites membangun sel manufaktur robotik dengan kontrol gerakan yang meningkat dan volume pembuatan. Seperti semua cetak 3D, perangkat lunak menghasilkan kode untuk gerakan mesin. Namun, karena generasi jalur alat sangat berbeda dalam CF3D, Continuous Composites sedang mengembangkan perangkat lunak sendiri. “Solusi off-the-shelf tidak bekerja untuk generasi jalur alat serat kontinu karena kami tidak lagi terbatas pada tumpukan iris 2D,” Alvarado menjelaskan.  Perangkat lunak CF3D juga mengotomatisasi lampu UV untuk penyulingan resin, pemotongan filamen cetak ketika diperlukan dan kontrol tekanan komaksi.

   

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

Alvarado mengatakan CF3D dapat mencetak 16 tow lebar menggunakan 12K serat karbon dan resin epoksi. Ia telah menghasilkan sampel tebal 3 lapis dengan porositas kurang dari 1% dan kekuatan tarik rata-rata 111 ksi. Pengujian mekanis ini dilakukan sebagai bagian dari proyek 2017 untuk kontraktor Departemen Pertahanan AS. “Kami terus meningkatkan dan harapan akan melebihi 200 ksi segera,” menegaskan Alvarado. “Kami juga telah menyelesaikan pengujian api, asap dan toksisitas (FST) untuk aplikasi interior penerbangan,” tambahnya.

Struktur yang merasakan

Teknologi CF3D memfasilitasi pencetakan struktur komposit multifungsi. Misalnya: kawat tembaga kontinu dapat dicetak untuk memberi daya elektronik, kawat nichrome kontinu dapat dicetak untuk menyematkan panas untuk aplikasi anti-es atau serat optik kontinu dapat dicetak untuk pemantauan kesehatan struktural real-time (SHM) dan optimasi performa struktur komposit.

 

Continuous Composites mencetak demo airfoil di atas pada 2017 termasuk:

• Bingkai pendukung kaca kontinu kontinu dicetak tanpa dukungan dari atas ke bawah airfoil.
• Kawat tembaga kontinu yang memberi daya lampu LED di tepi depan.
• Kawat nichrome untuk anti-es di tepi depan.
• Serat optik pada kulit atas yang dapat digunakan untuk mengumpulkan data.

   

Pada November 2017, Continuous Composites, Form Forge (Portland, OR, AS) dan AutoDesk bekerja sama untuk menghasilkan rudder komposit yang merasakan sebagai bagian dari pameran “Making Waves” dengan Livrea Yacht (Palermo, Italia) di konferensi AutoDesk University tahunan.

Ruddernya kira-kira 4.5 kaki tinggi, dicetak dengan 20% ABS terpelapis serat karbon yang dicetak (acrylonitrile butadiene styrene) termoplastik untuk cangkang atau kulit, dan serat kaca kontinu untuk bingkai pendukung struktural. Tim juga mencetak serat optik canggih ke dalam rudder.

Rudder yang selesai dipamerkan di stand AutoDesk U. “Kami membiarkan penonton menyentuhnya, dan sensor rudder mengumpulkan 5 Gigabyte data selama 2 hari, melacak suhu, akselerasi dan perubahan stres,” menceritakan Alvarado. “Dengan menyematkan fungsionalitas ini, kami dapat mengumpulkan dan menganalisis performa struktur untuk pemantauan kesehatan real-time dan optimasi performa.”

Jadi pikirkan selama satu menit, rudder dan foil pada kapal layar balap Anda kini dapat memberikan data aktual kembali ke analisis dinamika fluida komputasi (CFD) dan perangkat lunak desain Anda untuk secara cerdas mengoptimalkan desain struktur individu dan performa keseluruhan perahu. Dan, tentunya, rudder dan foil bisa jadi struktur pesawat atau otomotif.

“Kami ingin menunjukkan kemampuan kami untuk menggabungkan teknologi CF3D dengan beberapa bahan dan beberapa mode manufaktur tambah dalam satu sel,” kata Alvarado. Dia mencatat fleksibilitas untuk menyesuaikan resin termoset juga telah ditunjukkan dengan memodifikasi resin yang digunakan dengan serat kontinu untuk menempel pada serat dicetak/ABS.

   

Masa depan manufaktur

Continuous Composites berani dalam visi masa depannya untuk CF3D. Ia melihat teknologi ini memungkinkan manufaktur lokal dan kebangkitan manufaktur Amerika, tetapi juga jalan menuju proses produksi yang lebih berkelanjutan. “Teknologi kami memecahkan banyak masalah yang ditemukan dalam metode manufaktur komposit tradisional,” kata Alvarado. “Kami telah mengotomatisasi penempatan serat di semua arah, membuka kemungkinan desain serta menghilangkan kebutuhan akan cetakan, autoklave, dan oven yang mahal.” Dia menambahkan dengan menghilangkan keterbatasan 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 sama dengan berbagai perusahaan untuk mengembangkan ekosistem teknologi termasuk OEM, pemasok mesin, integrator robotika, pemasok bahan dan perusahaan perangkat lunak. “Kami memiliki 7 paten yang diberikan dengan 76 non-provisional aplikasi paten yang tertunda dan 11 provisional aplikasi paten tambahan yang tertunda, mencakup lebih dari 250 konsep yang dipatenkan dan paten tertunda. Kami terus mengembangkan teknologi kami dan mencari untuk menerapkan teknologi kami ke perusahaan di seluruh industri, termasuk penerbangan, otomotif, pertahanan, konstruksi, dll.”