Pioneros en impresión 3D de compuestos anisotrópicos para fabricación aditiva avanzada

Fundada en 2014 por el CEO Fedor Antonov, Anisoprint (Esch-sur-Alzette, Luxemburgo) es una de un número creciente de empresas tecnológicas que avanzan la impresión 3D de compuestos con fibra continua. Sin embargo, prefiere ser conocida como pionera en mover la fabricación aditiva (AM) lejos de los metales hacia compuestos.

«Las propiedades direccionales de los compuestos son una ventaja, no un inconveniente», dice Antonov. «Los compuestos de fibra de carbono unidireccional son más fuertes y ligeros que los metales. La fabricación convencional y la AM basada en metales consideran la anisotropía direccional de los compuestos como un inconveniente que hay que mitigar. Pero el enfoque de Anisoprint explota esta anisotropía, orientando y colocando fibras para satisfacer precisamente las cargas estructurales, reduciendo significativamente el peso de la pieza manteniendo alta resistencia y rigidez».

Permitiendo compuestos más eficientes

Antonov señala que la fabricación convencional de compuestos ha usado típicamente prácticas de la industria del metal, incluyendo laminados cuasi-isotrópicos, taladrado de agujeros y sujetadores mecánicos. «Estas anulan las ventajas de peso y rendimiento de los compuestos», dice Antonov. «La tecnología de anisoprinting proporciona un método automatizado mucho más rápido y flexible para producción». También ofrece una forma de lograr las estructuras más eficientes que ahora producen los software de optimización topológica y diseño generativo.

«Las estructuras más eficientes de la naturaleza, como árboles y huesos, explotan propiedades direccionales, orientando material portante de carga principalmente a lo largo de caminos de carga», afirma Antonov. Sin embargo, este tipo de estructuras optimizadas topológicamente son difíciles de producir. Por ejemplo, estructuras de celosía que han permitido adaptadores de carenado de carga útil para naves espaciales fuertes y ligeros, se producen típicamente usando bobinado de filamento. Sin embargo, una versión optimizada topológicamente, que ofrece un ahorro de peso adicional del 30%, ya no es fácil de producir con procesos compuestos convencionales, ni con colocación automática de fibra (AFP) más reciente.

«Las estructuras anisogrid convencionales bobinadas se logran usando ranuras en el utillaje, y una fracción de volumen de fibra relativamente baja en las costillas permite intersectarlas», dice Antonov. «Estos tipos de estructuras anisogrid eran nuestro objetivo original. Pero esto no funciona con AFP porque tu contenido de volumen de fibra es siempre constante, e intersectar costillas sin cortar las fibras o variaciones locales de espesor no es posible».

(Nota: Para más estudio sobre esto, ver https://www.researchgate.net/publication/321081593_Anisogrid_Payload_Adaptor_Structure_for_Vega_Launcher)

Orientación de fibra (Fiber steering)

La orientación de fibra es una técnica que se aplica actualmente a la producción de compuestos usando AFP que permite aplicar fibras en trayectorias curvilíneas —AFP ha usado tradicionalmente trayectorias lineales rectas. La orientación de fibra permite que la trayectoria de la fibra, y así la respuesta mecánica del panel compuesto, se optimice para exhibir mayor rendimiento que con laminados convencionales. En un ejemplo, este enfoque produce un panel de sustrato compuesto para un array solar de nave espacial que tiene una primera frecuencia natural un 44% mayor (minimiza amplitud de vibraciones y permite amortiguamiento más rápido) que un panel convencional equivalente con trayectorias de fibra rectas y la misma masa. Alternativamente, se podría lograr un panel de menor peso para el mismo rendimiento de frecuencia.

La orientación de fibra permite el diseño y fabricación de piezas como paneles estructurales para satélites o componentes de máquinas de alta velocidad con un rendimiento muy alto. Es un proceso repetible, logrando alta calidad consistente y permite diseños innovadores. También puede usarse para reducir peso para el mismo diseño geométrico. FUENTE | «Tecnología de orientación de fibra para paneles compuestos avanzados» (enlace original dado aquí pero ya no disponible vía esa-tec server: https://www.esa-tec.eu/space-technologies/from-space/fibre-steering-technology-for-advanced-composite-panels/)

«El anisoprinting es una combinación de estructuras de celosía y orientación de fibra que se usa para lograr piezas optimizadas topológicamente», dice Antonov. «Esta es una tecnología clave para compuestos impresos. Por ejemplo, ¿Cómo construyes un panel de fuselaje para un avión comercial que tiene recortes u orificios?

Da tres técnicas diferentes, que se usan para producir muestras compuestas del mismo espesor y peso, cada una con agujeros mecanizados CNC (ver tabla abajo). Señala que en pruebas de compresión, la muestra hecha con orientación de fibra tiene una carga de compresión última el doble que un compuesto cuasi-isotrópico («aluminio negro») y 30% mayor versus un laminado UD de rigidez constante. «Así, la orientación de fibra es una herramienta poderosa», dice Antonov. «El anisoprinting se moverá hacia AFP con orientación de fibra a medida que aumentemos volumen de fibra y productividad, y AFP se moverá hacia nosotros con más flexibilidad».

La «flexibilidad» a la que Antonov se refiere es una medida de cuánto es posible colocar una fibra a lo largo de cualquier trayectoria en el espacio tridimensional. Arevo, otra empresa que comercializa impresión 3D con fibra continua, afirma tener este tipo de flexibilidad. «La tecnología de Arevo no es muy diferente comparada con empresas AFP como Coriolis, Automated Dynamics, Electroimpact, etc.», dice Antonov. «Simplemente la han miniaturizado y en vez de usar una cinta fina y ancha usan una gruesa y estrecha con cabeza AFP láser. Es todo lo mismo». Nótese que la tecnología de impresión 3D de Arevo ha sido basada en robot desde el principio. ¿Cómo cambiará la tecnología de Anisoprint al moverse a plataformas robóticas?

Ejemplo de muestra compuesta impresa en 3D por Anisoprint usando orientación de fibra.

Historia de Anisoprint y enfoque TS-TP

Antonov y sus cofundadores (Andrey Azarov, Alexey Khaziev, Mikhail Golubev y Zafer Gürdal) estaban en una nueva universidad en la parte occidental de Moscú llamada Instituto de Ciencia y Tecnología Skolkovo (Skoltech), establecida en 2011. En 2014, Antonov trabajaba para construir el nuevo centro de tecnología de compuestos de Skoltech y comenzó a desarrollar impresión 3D. El director del centro de compuestos en ese momento era Zafer Gürdal, quien se fue en 2015, volviendo al Centro McNair de la Universidad de Carolina del Sur. Este último es ahora conocido por su I+D en compuestos e impresión 3D con fibra continua.

«Decidimos separarnos de Skoltech cuando Zafer Gürdal se fue», explica Antonov. «Habíamos desarrollado un prototipo de cabeza de impresión CFC para el verano de 2015. Nuestro siguiente objetivo era desarrollar una impresora de sobremesa».

Anisoprint introdujo su impresora de sobremesa Composer en 2017. Similar a las impresoras de fibra continua de Markforged, la Composer de Anisoprint usa dos boquillas de impresión: una para el refuerzo de fibra continua y otra para la matriz plástica. Dentro de una cámara de impresión de vidrio, la cama de impresión de vidrio de Composer puede calentarse hasta 120 °C, lo que permite minimizar efectos de contracción. Actualmente está disponible en dos tamaños:

• A3 (420 x 297 x 210 milímetros)
• A4 (297 x 210 x 147 milímetros)

Con un diámetro de boquilla estándar de 0,4 milímetros, la velocidad de impresión de Composer se cita como 10-80 mm/seg sin refuerzo y 1-20 mm/seg con refuerzo de fibra continua. Anisoprint puede extruir muchos plásticos incluyendo PLA, PETG, ABS, nailon y PC. Puede reforzarlos con sus materiales compuestos de fibra de carbono (CCF) y lanzó recientemente un material de impresión de fibra de basalto compuesta (CBF).

Sin embargo, Anisoprint es bastante diferente de otras tecnologías de impresión 3D con fibra continua porque primero impregna el refuerzo de fibra continua con un polímero termofijo y luego extruye esto en el filamento termoplástico fundido durante la impresión. «Este enfoque de dos matrices asegura baja porosidad, buena adhesión de fibra a polímero y excelentes propiedades mecánicas», afirma Antonov.

Continúa, «El inventor del anisogrid bobinado para el adaptador de carga útil del lanzador Proton M, V.V. Vasiliev, que está en nuestro consejo asesor, realmente mostró que esta idea de usar materiales de doble matriz termofijo-termoplástico (TS-TP) tiene beneficios sobre usar una sola matriz termofija o termoplástica. Los materiales de matriz termofija tienen problemas de fragilidad, por lo que la matriz empieza a agrietarse mucho antes de que falle la fibra. Vasiliev demostró que podía mitigar esto con el enfoque de doble matriz».

El termofijo que usa Anisoprint es una epoxi multicomponente y los laminados impresos finales tienen un contenido de fibra de hasta el 45% según pruebas de la Universidad Técnica de Múnich (TUM).

Las ofertas patentadas de Anisoprint incluyen:

Tecnología de Co-extrusión de Fibra Compuesta (CFC) para fabricación aditiva usando polímeros termoplásticos reforzados con fibras continuas (ej. carbono, basalto) que se consolidan y curan en un proceso automatizado de una sola etapa que no requiere ni utillaje ni post-procesado.

Software de laminado Aura que prepara modelos 3D para fabricar piezas usando impresora CFC Composer así como impresoras FFF convencionales.

Impresora 3D de sobremesa Composer disponible en tres tamaños (A4, A3, A2).

PROM familia de sistemas de impresión industriales con opciones de robot y pórtico, comercialmente disponibles a partir de 2020.

Desarrollo robótico vs. sobremesa

«El robot tiene una cabeza de impresión diferente porque necesitas mover la cabeza para encajar y alcanzar espacios limitados durante la impresión», explica Antonov. «En un plano 2D, esto no es un problema. Pero en espacio 3D, necesitas poner fibra donde ya hay alguna estructura. La accesibilidad ideal se logra con una aguja. Así que necesitamos un compromiso, una cabeza de impresión más parecida a una aguja».

Señala otras diferencias, como controles industriales. «Las impresoras de sobremesa se basan en electrónica de consumo, como Arduino. Pero para sistemas robóticos mayores, necesitas control de movimiento industrial e interfaces y todo tipo de aseguramiento de calidad in-situ, como medición láser, que Markforged tiene en su máquina mayor. También necesitas modificar sensores y controles de calentamiento/enfriamiento». Añade que todo esto lleva tiempo y recursos, y su prioridad los últimos dos años fue desarrollar la máquina de sobremesa, pero ahora están trabajando en los sistemas robóticos también.

Software: Aura

Antonov describe el software de Anisoprint como flexible, permitiendo tanto a principiantes como usuarios avanzados. «El software es fácil de usar, pero es importante que los laboratorios de I+D tengan la capacidad de cambiar parámetros de impresión», explica. De hecho, los clientes incluyen el instituto de investigación MFPA (Weimar, Alemania), Brightlands Materials Center (Geleen, Países Bajos) y Universidad Técnica de Múnich, así como fabricantes incluyendo Schunk Carbon Technology, Airbus y BMW.

Anisoprint ha impreso en 3D piezas de microsatélite compuestas con hasta 45% reducción de peso vs. metales ligeros.

Asociaciones para soluciones continuas

Anisoprint, que se autodenomina plataforma de materiales abierta, también busca desarrollar más asociaciones para nuevos materiales de impresión y piezas. En junio, anunció un acuerdo con Thought3D, con base en Malta, para usar sus adhesivos Magigoo. Estos pegan la primera capa de impresión a la cama, evitando desprendimiento de la pieza. «La mala adhesión de la primera capa es uno de los problemas más comunes que pueden arruinar piezas impresas, y no necesariamente al principio de la construcción», explica Antonov. «Esto es especialmente importante para nuestro sistema de materiales abierto, donde el cliente puede elegir entre diferentes tipos de termoplásticos. Cada uno requiere diferentes parámetros de impresión y es por eso que hemos introducido varios ajustes de primera capa en nuestro software laminador Aura. Esto también es por lo que incluiremos barras Magigoo en cada caja de Composer para asegurar que nuestros clientes tengan una solución adecuada en mano para buena adhesión de primera capa».

Aplicaciones de anisoprinting

Anisoprint dice que su tecnología puede aplicarse en muchos campos, desde aeroespacial a productos de consumo y salud. Un ejemplo es un soporte de asiento de avión que soporta 1,5 toneladas de carga con 40% reducción de peso versus aluminio. Con 100 de estos accesorios en un avión de pasillo único promedio, esta reducción de peso puede sumar ahorros significativos en combustible y costes operativos totales.

Soporte de asiento de avión impreso en 3D por Anisoprint logra 40% ahorro de peso vs. aluminio.

Otro caso es un pistón para formar potes de yogur, usado en una línea de producción láctea. Tales pistones se hacen típicamente de poliamida fresada, pero reemplazar tales piezas cuando se dañan toma tres meses, con la línea de producción parada durante ese tiempo. La pieza impresa por una Composer de Anisoprint supuestamente tiene una vida útil más larga y reduce el tiempo de inactividad de la línea de producción de 3 meses a 24 horas.

Anisoprint cumplió los requisitos para un componente de línea de producción láctea con su pistón compuesto impreso en 3D pero con tiempo de reemplazo drásticamente reducido.

«El anisoprinting permite el diseño y producción de estructuras compuestas óptimas mediante co-extrusión de fibra compuesta», dice Antonov. «Polímeros termoplásticos son reforzados con fibras continuas, consolidados y curados dentro de un proceso totalmente automatizado de una sola etapa, sin post-procesado requerido. Como resultado obtenemos piezas que son varias veces más fuertes, ligeras y baratas que metales y plásticos tradicionales y superiores también a compuestos convencionales».