Desbloqueando el potencial comercial de termofijos curables UV en impresión 3D de fibra continua

La tecnología CF3D usa materiales termofijos de curado instantáneo para reducir alto coste, largos plazos y restricciones de diseño. Crédito: Continuous Composites

En septiembre de 2020, el especialista en impresión 3D de fibra continua Continuous Composites (Coeur d'Alene, Idaho, EE. UU.) anunció una asociación estratégica con la empresa de materiales especializados Arkema (Colombes, Francia) a través de su línea de negocio Sartomer, para combinar la tecnología patentada de impresión 3D de Fibra Continua (CF3D) de Continuous Composites con las soluciones de resina fotocurable N3xtDimension de Arkema. Se espera que la combinación resulte en el desarrollo, certificación y comercialización de una biblioteca de soluciones de materiales avanzados para satisfacer las necesidades de una amplia variedad de aplicaciones e industrias.

Origen de la asociación

Esta asociación formal ha crecido a partir de una relación que comenzó en 2015, cuando el Dr. Sumeet Jain, director senior de impresión 3D en Arkema Worldwide, tomó conciencia de Continuous Composites y vio una oportunidad en el proceso de impresión que la empresa estaba desarrollando. Según Tyler Alvarado, CEO de Continuous Composites, la asociación fue natural: "Él [Jain] vio la oportunidad de avanzar en resinas termofijas fotocurables, y nosotros vimos que tenía décadas de experiencia con los polímeros que estábamos usando".

Para 2019, las empresas tenían un acuerdo de desarrollo conjunto, y a principios de 2020, Arkema tomó una participación accionarial en Continuous Composites, anunciándose la asociación estratégica en septiembre. "Estamos extremadamente entusiasmados con la asociación y los resultados que ambos equipos han logrado. Es una de esas cosas donde uno más uno son tres, realmente aprovechando su experiencia no solo en el espacio de compuestos sino en termofijos fotocurables", dice Alvarado.

Uniendo resinas fotocurables con impresión 3D de fibra continua

Hoy, el segmento de Materiales Avanzados de Arkema tiene ramas que abarcan muchos materiales, incluyendo termofijos y termoplásticos, y, dentro de compuestos, muchos procesos y aplicaciones, incluyendo impresión 3D así como procesos de fabricación más tradicionales. La línea de negocio Sartomer se centra en acrilatos y metacrilatos especializados para una gama de mercados, y ha estado proporcionando materiales curables UV en formas de recubrimientos, adhesivos y filamentos de impresión 3D durante décadas, según Jeffrey Klang, director de I+D de Sartomer para el equipo global de impresión 3D.

Para complementar su sistema de impresión CF3D, que es una tecnología de impresión 3D escalable fuera de autoclave (OOA) basada en el uso de resinas de curado instantáneo y fibras continuas, Continuous Composites requería un catálogo de resinas que cumplieran los altos requisitos mecánicos de clientes en industrias que van desde aeroespacial hasta energía y defensa. "Nuestro modelo de negocio es proporcionar máquinas, y su software y resinas correspondientes, para permitir a estos clientes fabricar cualquier componente que persigan en su aplicación industrial específica", dice Alvarado.

Esta necesidad de altas propiedades mecánicas como temperaturas de transición vítrea (Tg) y fuego, humos y toxicidad (FST) llevó a un enfoque en resinas termofijas, aunque Alvarado señala que la tecnología CF3D puede usar termoplásticos también. "Nuestra competencia principal es que tomamos una fibra continua en seco, y luego la impregnamos con una resina de curado instantáneo —en este caso, curable UV—", dice. "Estamos realmente enfocados en este enfoque de termofijo de curado instantáneo que permite que la estructura compuesta tome forma allí mismo en forma libre, permitiéndonos aprovechar las propiedades anisotrópicas de la fibra continua, y crear estas geometrías orgánicas complejas que son extremadamente ligeras y muy fuertes. Podemos producir un laminado compuesto de muy alta calidad con muy alto contenido de fibra y baja porosidad".

Las resinas líquidas N3xtDimension de Sartomer, parte de la plataforma recién lanzada 3D Printing Solutions by Arkema, en combinación con fibras estructurales que van desde fibra de carbono y vidrio hasta Dyneema y aramidas, resultaron una combinación ideal, y las empresas están ahora trabajando para desarrollar una biblioteca de resinas curables UV que cumplan una gama de requisitos de propiedades mecánicas.

Ventajas del curado UV: velocidad y geometrías sin soporte

Además de las propiedades mecánicas de las resinas, eliminar la necesidad de curado térmico en las piezas finales permite dos de las características más innovadoras de CF3D: velocidades de impresión rápidas, y la capacidad de imprimir sin soporte en aire abierto. "Normalmente, cuando estás colocando un compuesto, tienes que tener utillaje/moldes para soportar la colocación", dice Alvarado, "pero como usamos termofijos de curado instantáneo reforzados por un filamento estructural, somos capaces de endurecer ese material y puede tomar su forma sin ese material de soporte". Esto elimina el coste y plazo involucrados en la adquisición de moldes y utillaje, y elimina la restricción de diseño de tener que diseñar alrededor del utillaje. "Ahora puedes orientar estas fibras en muchas direcciones... Tener la capacidad de imprimir sin soporte permite geometrías de voladizo realmente únicas para salvar grandes huecos", dice.

Además, CF3D "es una máquina muy estable... e imprime significativamente más rápido que las máquinas termoplásticas tradicionales", dice Alvarado. Estas velocidades son posibles por la eliminación de problemas como la gestión de gradientes de temperatura dentro del laminado y deformación (debido al uso de termofijos sobre termoplásticos), y que el sistema no está limitado por un proceso de calentamiento (debido a su uso de curado por luz UV).

Hay dos variables para la velocidad de impresión, añade: curado del material y precisión de impresión. "El problema no son las resinas; curan a tiempo. La máquina es el cuello de botella", dice, señalando que los robots como plataforma de movimiento fueron diseñados originalmente para movimiento repetido de punto A a punto B de pick-and-place pero no necesariamente para la precisión involucrada en impresión 3D. "Nuestro equipo ha desarrollado realmente nuestra propia integración de un controlador CNC como control de plataforma de movimiento subyacente para nuestro sistema de impresión 3D, para que podamos movernos a través de puntos con precisión y repetidamente, lo que nos permite aumentar drásticamente la velocidad a la que estamos imprimiendo ahora", dice. Usando el controlador CNC, en el próximo año, Continuous Composites planea aumentar la velocidad de impresión del sistema hasta tres veces.

Desafíos y perspectivas

Como con cualquier innovación, han habido desafíos asociados con la transferencia de la tecnología de resina UV-curable de Sartomer a aplicaciones estructurales y de mayor rendimiento, según Klang de Sartomer. Por ejemplo, un área de foco ha sido aumentar la resistencia a temperatura. "Estamos cerca de 230°C", señala, "lo que realmente nos mete en algunos tipos de aplicaciones muy interesantes".

"Con esta asociación, estamos trabajando desde la base, para cambiar la forma en que se fabrican los compuestos. No es trivial. Llevamos cuatro años trabajando juntos, y apenas estamos empezando", añade el Dr. Jain de Arkema.