Revolucionando la fabricación aditiva: impresión 3D a gran escala de termoestables reforzados con fibra

Magnum Venus Products (MVP), fabricante líder de equipos de aplicación de compuestos, comenzó a trabajar en su máquina de Fabricación Aditiva Reactiva (RAM) en 2017. Ese mismo año, Polynt, proveedor de polímeros termoestables, gelcoats y SMC, comenzó a trabajar con el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) para desarrollar un material reactivo para usar en el sistema RAM. En CAMX 2018 (15-18 oct, Dallas, TX), los esfuerzos del equipo fueron reconocidos con el Premio ACE Infinite Possibility por su Impresora 3D de Gran Área para Materiales Termoestables. Esta semana, CW asistió a un evento de lanzamiento donde estos tres socios demostraron el primer sistema de fabricación aditiva de compuestos termoestables a gran escala en la Instalación de Demostración de Fabricación (MDF) del Departamento de Energía (DOE) en ORNL.

La máquina de Fabricación Aditiva Reactiva (RAM) de MVP y el material de impresión Polynt Reactive Deposition PRD-1520 se demuestran en Oak Ridge National Laboratory (ORNL). FUENTE | CW

Fabricación Aditiva Reactiva (RAM)

Aunque se ha desarrollado tecnología que permite impresión 3D con termoestables de curado UV, RAM y el medio de impresión Polynt Reactive Deposition PRD-1520 comprenden el primer sistema a gran escala —el volumen de construcción actual es 2,4 m x 4,9 m x 1,07 m— que usa una resina reactiva que cura a temperatura ambiente sin activación UV. Esta tecnología apunta a utillajes de bajo coste, herramientas de termoformado y moldes de autoclave, así como una gama más amplia de aplicaciones. "RAM entrega productos más fuertes, más eficientes energéticamente con propiedades térmicas mejoradas", explicó el CEO de MVP, Bob Vanderhoff.

El sistema RAM incluye la gran plataforma de impresión y un sistema de bombeo MVP montado en suelo, con solo el cabezal de impresión montado en el pórtico controlado por computadora. El sistema de bombeo mide y dosifica con precisión la resina viniléster reforzada con fibra de vidrio corta y el iniciador de peróxido en un mezclador estático en el cabezal de impresión. La resina mezclada se extruye luego a través de una boquilla, similar a la mayoría de sistemas de modelado por deposición fundida (FDM). "Usando una boquilla de 1,2 mm de diámetro, la velocidad de impresión es aproximadamente 1,2 m/segundo", dijo John Lindahl, líder técnico de ORNL para polímeros/compuestos termoestables en fabricación aditiva. "RAM puede lograr características a escala FDM mientras entrega una alta producción de casi 7 kg/hora (15 lb/hora)".

FUENTE | https://www.mvpind.com/3d-printer/

La plataforma de construcción es modular, hecha de ocho segmentos. "Cada uno se remueve e indexa fácilmente", señala Vlastimil Kunc, líder del grupo de ciencia de fabricación de ORNL. "Puedo moverlos solo con los dedos, así que podrías sacar uno y reemplazarlo con otro si quisieras post-curar o mecanizarlo". Esto modulariza el proceso para que pueda escalarse para producción de piezas de gran volumen. "También hemos integrado capacidad de robot pick-and-place en RAM para embeber sensores, termopares, etiquetas RFID y elementos calefactores, por ejemplo, según necesidad", añade.

"RAM también está equipado con cámaras infrarrojas y sensores ópticos para monitorizar exotermia y temperatura durante la construcción", nota Lindahl. "Hemos desarrollado un modelo termo-quimo-reológico 1D que usamos con una pared semi-infinita, que es la característica más difícil de construir con estos materiales. El modelo nos dice, basándose en la resina de impresión y la reacción, qué tiempo de capa necesitas, qué tan rápido puedes imprimir (salida volumétrica) y qué tan caliente exotermará. Todo esto nos guía en optimizar parámetros de impresión RAM y entender completamente el comportamiento viscoelástico de la resina impresa durante gelificación, curado e impresión completada".

La impresora RAM está equipada con cámaras infrarrojas y sensores ópticos que monitorizan exotermia y conformidad con parámetros optimizados, definidos por el modelo termo-quimo-reológico de ORNL. FUENTE | CW

Polynt Reactive Deposition (PRD-1520) para eficiencia

PRD-1520 es una resina viniléster insaturada pre-promovida y pre-compuesta diseñada con alta viscosidad (2,5-3,0 millones cPs) para bombeo e impresión 3D. Fue diseñada para usar en la impresora RAM de MVP, con baja contracción y temperatura de deflexión térmica (HDT) de 94°C/201°F y temperatura de transición vítrea de 107°C/225°F. Esto se compara con HDT de 56°C, 88-98°C y 110°C para PLA, ABS y nailon, respectivamente, según proveedores de filamentos de impresión 3D. "Sin embargo, la química patentada de PRD-1520 permite enlace químico entre capas impresas, lo que aumenta las propiedades de estructuras impresas en 3D, incluyendo 2 a 4 veces mayor resistencia en dirección z comparado con termoplásticos", explicó el director de I+D de Polynt, Steve Voeks. También señaló el largo tiempo abierto de la resina (tiempo de gel de 20-25 minutos), "lo que permite imprimir estructuras grandes con arranques y paradas y largos intervalos entre capas". Esta capacidad de imprimir sobre material previamente depositado pero aún blando aumenta significativamente la libertad de trayectoria de herramienta.

"El desarrollo de trayectoria de herramienta que hemos hecho es único para materiales termoestables", explicó Lindahl. "Podemos imprimir estructuras muy eficientes comenzando con un relleno disperso y luego cubriéndolo con una capa perimetral sin huecos. Comenzamos con capas alternadas 0°/90° y luego a trayectorias de impresión 0° y 90° en una sola capa de transición que luego se corona con una capa de impresión sólida. Esto permite imprimir grandes superficies reduciendo significativamente material de impresión así como peso, tiempo de impresión y coste". Un artículo técnico explicando esta tecnología será presentado por el investigador postdoctoral de ORNL Chris Hershey en CAMX 2019 el jueves 26 sep a las 10:00 am. "Large-Scale Reactive Extrusion Deposition of Sparse Infill Structures with Solid Perimeters" ya ha recibido el premio CAMX 2019 Outstanding Technical Paper y mejor artículo en la pista de conferencia de Fabricación Aditiva.

"Usando PRD-1520, RAM es actualmente la impresora 3D más eficiente energéticamente para materiales poliméricos y compuestos", dice Lindahl. Notablemente, el material termoestable no requiere mesa ni cámara calentada. Tampoco se necesita el calor normalmente requerido para fundir pellets termoplásticos.

"Hemos disfrutado una colaboración mutuamente beneficiosa con Polynt y MVP viendo fabricación aditiva de polímeros reactivos de próxima generación", dijo Bill Peter, director de MDF. "Con el apoyo de la Oficina de Fabricación Avanzada del DOE, planeamos continuar investigación fundamental para mejorar esta tecnología y entender mejor la ciencia subyacente mientras demostramos procesos y aplicaciones aún más eficientes energéticamente con nuestros socios industriales".

Para más información, visite MVP en stand G2 y ORNL en stand S25 en CAMX 2019 (23-26 sep, Anaheim, CA) o contacte a Hannah Jay en MVP, Rick Pauer en Polynt o Jennifer Burke en ORNL.