Compuestos 3D de ultra-alta fibra: 60 % de contenido de fibra y <1 % de vacíos

"Nuestro objetivo principal es producir compuestos estructurales de fibra continua para la industria", dice Giovanni Cavolina, cofundador de 9T Labs (Zúrich, Suiza). "Si hablas con gente que fabrica piezas de PRFC (polímero reforzado con fibra de carbono), la mayoría no cree que sea posible lograr un contenido de vacíos super-bajo o una buena resistencia al cizallamiento interlaminar (ILSS) entre capas con impresión 3D de fibra continua". 9T Labs, sin embargo, ha desarrollado un proceso de post-procesado patentado que elimina los vacíos. "Ahora podemos imprimir en 3D compuestos de fibra continua con gran adhesión entre capas y contenido de vacíos por debajo del 1 por ciento, lo que compite con compuestos fabricados convencionalmente".

Comienzos en ETH Zúrich

9T Labs comenzó con un proyecto de investigación en el Laboratorio de Materiales Compuestos y Estructuras Adaptativas (CMAS) en el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich (ETH Zúrich). Cavolina y los cofundadores de 9T Labs, Martin Eichenhofer y Chester Houwink, habían desarrollado un cabezal de impresión de compuestos, "que montamos en un brazo robótico y fabricamos núcleos de celosía para estructuras sándwich ultra-ligeras, dirigidas a aplicaciones aeroespaciales", explica Cavolina.

CarbonKit fue un producto de lanzamiento limitado que permitía a impresoras FDM estándar usar fibra de carbono continua pero aún no era la solución adecuada para producir piezas estructurales de PRFC industriales competitivas en coste. FUENTE | 9T Labs.

CarbonKit

Así, 9T Labs se estableció a principios de 2018 para demostrar el concepto de impresión 3D de láminas de PRFC monolíticas que pudieran cumplir los requisitos de clientes potenciales. "Nuestro siguiente paso fue el CarbonKit", dice Cavolina. Este es el producto que aparece en el artículo de CW de marzo de 2019 "Moving continuous fiber 3D printing into production". El CarbonKit transforma impresoras 3D Ultimaker o Prusa en un sistema capaz de imprimir con fibra de carbono continua. "Permite usar tus impresoras existentes en combinación con nuestro cabezal de impresión, filamentos y software para colocar fibras continuas, según el caso de carga, con un 50 por ciento de contenido de volumen de fibra de carbono — no el 30 por ciento, que ha sido la norma en la impresión 3D de PRFC", añade.

Cavolina explica que aunque el interés en este producto fue bastante grande, "solo suministramos a 25 clientes. Mantuvimos este producto limitado porque nos dimos cuenta de que con solo un proceso FDM [modelado por deposición fundida] de un solo paso, no es posible lograr piezas de uso final estructurales para aplicaciones aeroespaciales industriales que también sean competitivas en coste con las tecnologías actuales".

Sin embargo, a través del CarbonKit, 9T Labs estableció valiosas relaciones con clientes. "Pudimos aprender lo que las empresas esperaban y necesitaban, aunque estas piezas no fueran realmente posibles de producir con el CarbonKit", explica. "La consolidación in situ es ciertamente posible con FDM, pero requeriría máquinas mucho más complejas que son prohibitivas en coste. Así que produjimos un proceso de 2 pasos con una consolidación posterior a la impresión".

Con la serie Red, 9T Labs ha logrado estructuras de PRFC impresas en 3D con >50 % de volumen de fibra y <1 % de vacíos a un coste asequible frente a los métodos actuales de producción de compuestos. FUENTE | 9T Labs.

Serie Red, proceso de 2 pasos

Eso nos lleva a donde está 9T Labs hoy. "Estamos comercializando la Serie Red, que comprende dos unidades: una unidad de impresión FDM clásica con un cabezal de impresión patentado y una unidad de fusión adyacente para post-procesado", explica Cavolina. "No logramos consolidación in situ completa durante la impresión, sino que imprimimos y luego consolidamos en un segundo proceso. En esencia, estamos imprimiendo una preforma que se coloca en la Unidad de Fusión para post-consolidación usando alta temperatura y presión para lograr más del 50 por ciento de contenido de volumen de fibra con menos del 1 por ciento de vacíos. Este proceso de 2 pasos alcanza calidad aeroespacial a un coste asequible".

La Serie Red usa materiales termoplásticos, por ahora. "Imprimimos fibra de carbono con PEI, PEKK, PA (nylon) y tenemos experiencia con PP también", dice Cavolina. ¿Es la Serie Red un sistema de materiales abierto? "La única forma de ser competitivo en coste es usar materiales existentes con un nuevo proceso de fabricación", explica. "Si inventas tu propio material desde cero, excluyes la posibilidad de entrar en fabricación en serie. Por razones de seguridad y fiabilidad de la cadena de suministro, los fabricantes en serie no dependerán de una empresa pequeña para sus materiales. Así que permitimos a nuestros clientes usar su suministro de materiales existente, asegurándonos de que los materiales funcionen en nuestro sistema". Explica que 9T Labs prueba los materiales para asegurar que la materia prima cumple ciertos requisitos y determina los mejores parámetros para la impresión.

¿Y el software abierto? "Nuestro software de impresión se combina con un software de simulación estructural", dice Cavolina. "Es genial como ingeniero colocar fibras donde se necesitan, pero ¿cómo puedes estar seguro de que es realmente donde deberían colocarse? Nuestro software da la libertad de diseñar y luego contrastar con una simulación estructural. La otra dirección es definir un plano de colocación de fibras en una simulación estructural y luego convertirlo en una trayectoria de impresión en nuestro software. Usamos un socio existente, bien probado y conocido para el FEA que se ejecuta en segundo plano. También puedes diseñar directamente una pieza en CAD y luego subir ese archivo a nuestro programa. Allí decides dónde quieres la fibra de carbono y dónde el polímero puro es suficiente".

Este soporte y brazo de balancín de PRFC para aplicaciones no aeroespaciales en realidad cumplen requisitos de laminado aeroespacial y cuentan con más de 40 capas — cada capa con una orientación de fibra diferente para explotar la anisotropía y optimizar piezas estructurales no posibles anteriormente. FUENTE | 9T Labs.

Aplicaciones

9T Labs está persiguiendo aeroespacial (interiores, por ahora), biomédico y automatización industrial (p. ej., máquinas de envasado), así como ocio/lujo (p. ej., deportes de motor, zapatillas deportivas, gafas). Este último mercado, dice Cavolina, "es donde necesitas tener compuestos estructurales, pero los requisitos no son tan estrictos como en aeroespacial". Cita el brazo de balancín mostrado arriba. "Este es un soporte para una estructura no aeroespacial que representa una aplicación estructural que puedes producir de forma optimizada usando nuestra tecnología", explica. "Proviene de una pieza de aluminio que ha sido optimizada topológicamente para ahorrar peso orientando fibras de carbono según el caso de carga. Puedes ahorrar coste porque puedes reducir la cantidad de fibra de carbono usada versus otros procesos de compuestos. No puedes hacerlo por otros medios porque no es posible con otros métodos orientar cada fibra como necesitas en alta resolución".

Cuatro diferentes colocaciones de fibra de carbono continua se alternan a lo largo del espesor del soporte de PRFC impreso con la Serie Red de 9T Labs. FUENTE | 9T Labs.

Cavolina señala que este brazo de balancín comprende más de 40 capas de fibra y polímero, "y podemos tener una orientación de fibra diferente en cada capa. Probamos cuatro diferentes colocaciones, no restringidas a cuasi-isotrópico. Esta libertad nos permite explotar la anisotropía de los compuestos para optimizar aún más la estructura de uso final. No sería posible hacer esto con otros métodos de fabricación actuales".

También señala que la impresión 3D de PRFC es un proceso automatizado comparado con el laminado manual. "Nuestra tecnología reduce drásticamente la mano de obra manual mediante colocación automatizada", dice Cavolina. "Con nuestra tecnología, solo imprimes, consolidas y listo".

La Serie Red imprime preformas monolíticas de PRFC más pequeñas y complejas que luego se consolidan en un segundo paso para producción en serie industrial escalable. FUENTE | 9T Labs.

Tamaño de impresión, velocidad y lanzamiento completo de la Serie Red

La Serie Red apunta a piezas monolíticas más pequeñas para fabricación en serie dentro de un área de impresión de 350 milímetros por 300 milímetros. "Aquí vemos en este momento el mayor valor añadido para nuestros clientes", explica Cavolina.

¿Qué hay de la velocidad de impresión? "Estamos hablando de una forma muy concreta sobre producir en los próximos 1-2 años 4.000 a 8.000 piezas al año para diferentes clientes, logrado con las unidades gemelas de la Serie Red", dice Cavolina. "Porque hemos desacoplado la producción de preformas complejas y detalladas de la consolidación, ahora es posible aumentar el volumen de producción rápidamente".

"Hemos dedicado mucho tiempo a analizar la estructura de costes de nuestro proceso, incluyendo equipos, mano de obra y costes de materiales", responde. "Tenemos una estructura de costes de equipos asequible y hemos automatizado el proceso de preformado. Usamos los materiales más asequibles y eficientes, y luego reducimos la cantidad de material requerida orientando las fibras según el caso de carga y usando optimización estructural. Trabajamos estrechamente con nuestros socios en simulación estructural y de proceso y vemos que seguirá creciendo como una gran parte del objetivo de producción de usar tecnología de gemelo digital para permitir enchufar y jugar con líneas y celdas de producción 4.0".

La Serie Red se lanzará en 2020. "Ahora, la estamos evaluando a través de nuestros programas de colaboración con socios de producción. Certificamos las piezas y procesos con ellos, para que tengan reservados los primeros espacios para máquinas de la Serie Red y las usarán para fabricar sus productos de uso final".