Revolucionando los compuestos: Fabricación de fibra continua con MOI Composites

La impresión 3D y deposición de fibra continua está ganando impulso. A medida que crece el número de empresas que la utilizan y la desarrollan, esta tecnología sin duda moldeará la industria de compuestos.

Primero, ofrece fabricación sin moldes ni utillajes. Segundo, ofrece estructuras multifuncionales (p. ej., conductividad eléctrica, cambio de forma, sensado). Tercero, abre la puerta a un mundo de fabricación híbrida —p. ej., laminación sobre impresión 3D y fresado durante la impresión— así como un panorama casi infinito de desarrollo de materiales, desde fibras de aleación con memoria de forma Nitinol hasta soluciones de nanocompuestos conductores para modelado por deposición líquida (LDM). Este último es un mundo en sí mismo al que volveré en un futuro blog.

Patente WO2017085649A1 y sistema de impresión Atropos. FUENTE: moi composites.

Moi composites se fundó en febrero de 2018 por la ingeniera de materiales y profesora Marinella Levi, el ingeniero de diseño Gabriele Natale y el arquitecto Michele Tonizzo. En 2013, la profesora Levi comenzó a trabajar con impresión 3D en el Politecnico di Milano (Milán, Italia). Para 2014, había formado +LAB en el Departamento de Química, Materiales e Ingeniería Química "Giulio Natta" de la universidad. Su visión era fusionar I+D, enseñanza e innovación en materiales reuniendo a ingenieros, diseñadores, investigadores y makers en un centro colaborativo multidisciplinario de impresión 3D.

2014 Primera herramienta para impresión 3D de compuestos termofijos de fibra continua
2015 Patente WO2017085649A1
2016 Alianzas con Owens Corning y KUKA Robotics,
Proyecto Atropos y sistema de impresión
2017 Premio JEC Innovation, alianza con Autodesk,
Finalista premio James Dyson,
Alianza con automatización COMAU
(Cronología completa)

"Fundamos moi composites porque queríamos producir piezas comerciales y participar en proyectos internacionales", explica Michele Tonizzo. "Hemos descubierto que hay mucho mercado. Fabricamos componentes biomédicos y piezas para aplicaciones marinas, petróleo & gas y aeroespaciales, principalmente usando fibra de vidrio. La tecnología CFM permite fabricar soluciones únicas imposibles con métodos tradicionales."

Pala de hélice impresa en 3D con celosía estructural interna usando fibra de vidrio continua (arriba). Este proyecto también demostró colocación de fibra a lo largo de curvas no lineales (abajo izquierda) y laminado de fibra continua con orientaciones tradicionales (p. ej., 0°, +45°, -45°, 90°, abajo derecha). FUENTE: moi composites

Gama de resinas y fibras

Atropos demostró la capacidad de imprimir polímeros termofijos reforzados con fibra discontinua y continua no solo capa por capa, sino también a lo largo de curvas no lineales. Utilizó luz ultravioleta (UV) para curar los polímeros in situ. "Actualmente podemos imprimir con curado UV en epoxi, acrílico y viniléster", dice Tonizzo. Señala que el acrílico funciona bien para piezas arquitectónicas porque es transparente y no requiere temperatura para curado/post-curado. El viniléster se usa para piezas marinas y el epoxi para petróleo & gas y aeroespacial.

"Para algunas aplicaciones, el curado UV es solo la etapa inicial y luego post-curamos con calor convencional", observa Tonizzo. "No estamos atados al curado UV. Hemos impreso con polímeros de curado no UV y entendemos que para aplicaciones de mayores propiedades necesitaremos otras opciones de matriz". Como referencia, la temperatura de transición vítrea (Tg) de su resina más usada, un viniléster, es alrededor de 140 °C.

"También estamos trabajando con fibra de carbono pero no con resinas de curado UV", dice Tonizzo. Señala que tanto la transparencia de la fibra como el color afectan el curado UV. "El problema con el carbono es que es opaco y negro. Esta es la peor combinación. Queremos desarrollar la mejor solución para la fibra de carbono como material, no solo la tecnología más fácil que funcione. Hay muchas otras opciones de materiales de curado que podemos usar, así que las estamos investigando".

Moi composites puede imprimir fibras conductoras continuas para funcionalidad eléctrica/térmica, sensado, cambio de forma, etc. FUENTE: moi composites.

Moi composites ha impreso fibra de vidrio continua hasta 2400 tex (207 yd/lb con diámetro máximo de 24 µm según ficha técnica de Owens Corning) y está probando fibras naturales. También ha impreso con fibra de basalto. "Podemos imprimir muy bien con curado UV y fibra de basalto porque es algo transparente y más marrón que negro", explica Tonizzo.

Fibras que conducen corriente eléctrica también pueden usarse en la tecnología CFM. Pueden colocarse según necesidad en la estructura impresa. Uno de los proyectos en la web de +LAB muestra fibra de Nitinol, una aleación con memoria de forma. "Así podrías hacer estructuras que cambian de forma", dice Tonizzo. "Por ejemplo, podrías usarla para liberar tensión en otras fibras, como en hormigón pretensado."

Impresión 3D como parte de fabricación híbrida

Atropos usa un brazo robótico Kuka con envolvente de impresión de 0,5 x 0,5 x 0,5 m de altura. "Ahora imprimimos en un robot Comau con envolvente de 1,0 x 0,5 x 0,8 m de altura, que es el sistema de segunda generación", dice Tonizzo. "También hemos usado robots más grandes con mesas rotativas y volúmenes de construcción de 1,5 x 1,5 x 1 m de altura y demostrado que nuestra tecnología es fácilmente escalable".

Moi también está desarrollando una cabeza de impresión todo en uno de tercera generación con sistema para aplicar presión a las fibras, sensores, mecanismos de corte y herramienta de fresado. Tonizzo dice que esto cerrará la brecha entre impresión 3D y colocación automática de fibra (AFP). "La impresión 3D no alcanza el rendimiento de AFP, pero CFM ofrece más flexibilidad. Ya podemos imprimir con fibras de 0,25 mm de espesor y tenemos la capacidad de crear curvas y colocar fibras continuas en la posición ideal", añade.

SuPeRIOR es una prótesis de miembro inferior optimizada para peso mínimo, deflexión y coste.
El núcleo estructural impreso en 3D fue luego laminado con fibra de carbono y resina epoxi seguido de curado VBO. FUENTE: moi composites.

"La impresión 3D debe usarse para lo que hace mejor", dice Tonizzo, "lo que incluye optimizar el flujo de trabajo. Por ejemplo, puedes imprimir en 3D un núcleo interno con rebajes y direcciones de fibra inteligentes. Luego usas laminación manual común encima y curas en autoclave o solo con bolsa de vacío". Describe una pieza imposible de fabricar convencionalmente con molde. "Imprimimos el núcleo interno y luego lo envolvimos en laminado y curamos en autoclave a 110 °C y 2 bar de presión durante varias horas. La pieza salió perfecta". Esta pieza está bajo NDA, pero moi ha producido la prótesis SuPeRIOR de manera similar, curada no en autoclave sino solo con bolsa de vacío (VBO). "Todos los internos usan una fibra de vidrio continua", explica, "pero el laminado exterior es tela de fibra de carbono a mano y resina epoxi". El diseño completo reduce deflexión y aumenta personalización reduciendo significativamente coste y tiempo de producción.

Software de optimización basado en voxels

Tonizzo explica que el proceso de diseño combina el algoritmo basado en voxels de Autodesk con los algoritmos de moi para optimización de tensiones y trayectorias. Esto produce la trayectoria de fibra optimizada para la estructura. El software también elige la trayectoria más factible de fabricar. "Es un proceso iterativo", dice Tonizzo. "El diseño no es totalmente automático como el diseño generativo. Aún necesita ingenieros para tomar decisiones. Pero creo que así debe ser: el diseñador y el software combinados, no solo IA sola".

Futuro multimaterial, fuerte potencial de mercado

En una de las imágenes de la pala de hélice impresa con Atropos, hay un primer plano que muestra un patrón casi tejido. "En realidad no está tejido pero será posible pronto", dice Tonizzo. Me dirige al proyecto de onda seno en la web de +LAB. "Los demostradores mostrados son impresos en 3D en plástico con fibras cortas y proceso LDM [modelado por deposición líquida] mientras éramos investigadores en +LAB. Los algoritmos que usamos entonces son los mismos que ahora avanzamos con fibra continua".

La Onda Seno de +LAB demuestra patrones de relleno de polímero impreso en 3D con respuesta elástica ajustable. FUENTE: +LAB.

Es obvio desde la web de +LAB que las innovaciones en materiales y posibilidades para este tipo de impresión son casi infinitas. La pregunta es qué ofrecerá más oportunidades y potencial para soluciones de alta demanda. Mientras tanto, los proveedores de materiales apoyan el desarrollo continuo. Por ejemplo, Owens Corning está interesado en demostrar fibra de vidrio con más matrices, como cerámicas y hormigón. Obviamente, esto es muy interesante para construcción y edificación, y podría tener potencial significativo a la luz de las tendencias actuales de fabricación digital y construcción energéticamente eficiente, módulos prefabricados fuera de sitio y mayor sostenibilidad mediante materiales naturales y reciclados, todos los cuales enfatizan la ligereza. "El Departamento Giulio Natta del Politecnico di Milano está en un proyecto UE para imprimir geopolímeros que se comportan como hormigón", añade Tonizzo. "Se curan solos con el tiempo pero tienen consistencia como arcilla durante la impresión para mejor fluidez. Definitivamente seguiremos trabajando en esta área, así como con nuevos polímeros y fibras".

Moi composites también imprime con geopolímeros, que se comportan como hormigón.
FUENTE: +LAB.

¿Venderán máquinas? "Sí, pero en el futuro", dice Tonizzo. "Por ahora, producimos piezas y llevamos la tecnología a las instalaciones del cliente, usando nuestro know-how, cabeza de impresión y software para realizar soluciones de piezas bajo demanda". Añade que tras trabajar el último año mejorando la tecnología con adoptantes tempranos de CFM y demostrando el caso de negocio para muchas piezas en diferentes mercados, moi composites ahora busca inversores para escalar máquinas y procesos CFM para oportunidades comerciales.