Compuestos de impresión 3D con fibra continua

CW ha escrito sobre compuestos impresos en 3D reforzados con fibra continua desde 2014, cuando MarkForged lanzó la impresora Mark One en la conferencia SolidWorks World (26-29 de enero de 2014). Luego cubrimos Arevo y su desarrollo de la impresión multieje utilizando fibra continua, incluso en la dirección zy a lo largo de los contornos a través de un brazo robótico. Este año, escribimos sobre Orbital Composites y su trabajo con el Centro de Tecnología de Composites en la impresión de compuestos de fibra continua.

Sin embargo, hay una empresa que imprime en composites continuos desde 2012. CW de hecho, publicó una barra lateral corta sobre composites continuos (Coeur D’Alene, ID, EE. UU.) en enero de 2017, pero sus logros merecen una discusión más extensa:

• Impresión en tres dimensiones con cualquier fibra continua, como aramida, vidrio (GF) y fibra de carbono (CF), cobre, alambre de nicromo y fibra óptica .
• Utiliza resinas termoendurecibles de curado UV para permitir la impresión a alta velocidad y la impresión sin soporte en el espacio .
• Permite la fabricación de compuestos sin molde, fuera de autoclave y la optimización de la ruta de carga
• Demostrado en AutoDesk University 2017 un impreso en 3D , multimaterial (carcasa CF / ABS cortada, armazones continuos de celosía GF / epoxi) timón completo con fibra óptica impresa que puede sentir y comunicar cambios en temperatura, presión, aceleración y conductividad eléctrica .

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CF3D

“Estamos combinando el poder de los materiales compuestos con un proceso de impresión 3D que utiliza robótica avanzada”, dice Tyler Alvarado, CEO de Continuous Composites. La empresa ha registrado su impresión 3D de fibra continua como CF3D. “CF3D impregna la fibra dentro del cabezal y cura inmediatamente después de la deposición del material”, explica. "No estamos limitados para imprimir a través de sectores 2D para que podamos aprovechar al máximo las propiedades anisotrópicas de los materiales compuestos al orientar discretamente las fibras en todas direcciones ”.

Alvarado señala que también es posible ajustar las resinas termoendurecibles para la aplicación de cada cliente, por ejemplo, el módulo de refuerzo o, alternativamente, la tenacidad o incluso las propiedades de resistencia al fuego. CF3D también se puede imprimir con resinas termoplásticas and Continuous Composites ha demostrado la impresión con materiales termoestables y termoplásticos en la misma estructura .

“Estamos logrando 50-60% de volumen de fibra ”, Dice Alvarado, quien agrega que variable compactación del laminado impreso se ha incorporado al cabezal de impresión. “Cuando imprimimos una estructura en un espacio libre, no compactamos contra una herramienta, por lo que la consolidación es diferente. El primer camino para una estructura no tiene soporte y, por lo tanto, necesita poca presión porque no hay nada contra lo que presionar. Sin embargo, se puede aplicar presión a las capas posteriores para la compactación ”.

En 2016 y 2017, Continuous Composites construyó una celda de fabricación robótica con Mayor control de movimiento y construir volumen. Como ocurre con todas las impresiones en 3D, el software genera el código para el movimiento de la máquina. Sin embargo, debido a que la generación de rutas de herramientas es muy diferente en CF3D, Continuous Composites está desarrollando su propio software. “Las soluciones listas para usar no funcionan para la generación continua de trayectorias de herramientas de fibra, ya que ya no estamos limitados a apilar rebanadas en 2D”, explica Alvarado. El software CF3D también automatiza las luces UV para el curado de la resina, el corte del filamento de impresión cuando es necesario y el control de la presión de compactación.

“El nuevo cabezal de impresión que desarrollamos es mucho más activo ”, dice Alvarado. “Nuestro nuevo efector final tiene tensado adaptativo y control dinámico de la entrega de resina . ”

Alvarado dice que CF3D puede imprimir 16 remolques de ancho utilizando carbono 12K estopa y resina epoxi. Ha producido muestras de 3 capas de espesor con menos del 1% de porosidad y una resistencia media a la tracción de 111 ksi. Esta prueba mecánica se realizó como parte de un proyecto de 2017 para un contratista del Departamento de Defensa de EE. UU. “Seguimos mejorando y esperamos superar los 200 ksi pronto”, afirma Alvarado. "También hemos completado las pruebas de fuego, humo y toxicidad (FST) para aplicaciones de interiores aeroespaciales", agrega.

Estructuras de detección

La tecnología CF3D facilita la impresión de estructuras compuestas multifuncionales. Por ejemplo:el alambre de cobre continuo se puede imprimir en la electrónica de potencia, el alambre de nicromo continuo se puede imprimir para incorporar calor para aplicaciones antihielo o se puede imprimir fibra óptica continua para monitoreo de salud estructural (SHM) en tiempo real y optimización del rendimiento de un compuesto. estructura.

Continuous Composites imprimió el perfil aerodinámico de demostración anterior en 2017, que incluye:

• Continuo armaduras de soporte de fibra de vidrio impresas sin soporte desde la parte superior a la inferior del perfil aerodinámico.
• Alimentación continua de alambre de cobre Luces LED en el borde de ataque.
• Alambre de nicromo para antihielo en el borde de ataque.
• Fibra óptica en la piel superior que se puede utilizar para recopilar datos.

En noviembre de 2017, Continuous Composites, Form Forge (Portland, OR, EE. UU.) Y AutoDesk colaboraron para producir un timón compuesto con sensor como parte de la exhibición "Making Waves" con Livrea Yacht (Palermo, Italia) en la conferencia anual de la Universidad AutoDesk.

El timón tenía aproximadamente 4,5 pies de alto, impreso con un 20% de ABS reforzado con fibra de carbono picado . (acrilonitrilo butadieno estireno) termoplástico para el armazón o revestimiento, y fibra de vidrio continua para los soportes estructurales de celosía. El equipo también imprimió fibra óptica avanzada en el timón.

El timón terminado se mostró en el stand de AutoDesk U. "Dejamos que la audiencia lo toque y los sensores del timón recogieron 5 Gigabytes de datos durante 2 días, seguimiento de la temperatura , aceleración y cambios de estrés ”, Relata Alvarado. "Al incorporar esta funcionalidad, podemos recopilar y analizar el rendimiento de la estructura para el monitoreo del estado en tiempo real y la optimización del rendimiento".

Así que piense por un minuto, el timón y las aletas de su yate de carreras ahora pueden retroalimentar los datos reales en su análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD) y software de diseño para optimizar de forma inteligente el diseño de la estructura individual y el rendimiento general de la embarcación. Y, por supuesto, el timón y las aletas podrían ser estructuras de aviones o automóviles.

“Queríamos demostrar nuestra capacidad para combinar la tecnología CF3D con múltiples materiales y múltiples modos de fabricación aditiva en una celda ”, dice Alvarado. Señala que la flexibilidad para afinar las resinas termoendurecibles también se demostró modificando la resina utilizada con la fibra continua para adherir a la fibra picada / ABS.

El futuro de la fabricación

Continuous Composites es audaz en su visión de futuro para CF3D. Considera que la tecnología permite la fabricación local y un resurgimiento de la fabricación estadounidense, pero también un camino hacia más sostenible procesos de producción. “Nuestra tecnología resuelve muchos problemas que se encuentran en los métodos tradicionales de fabricación de compuestos”, dice Alvarado. “Hemos automatizado el tendido de fibra en todas las direcciones, abriendo posibilidades de diseño y eliminando la necesidad de costosos moldes, autoclaves y hornos”. Agrega que al eliminar estas restricciones, CF3D puede combinar varios componentes en una sola pieza impresa e integrar la funcionalidad, todo en un solo proceso de fabricación. "Nuestra tecnología es un método de fabricación nuevo y emergente que revolucionará muchas industrias".

Alvarado dice que Continuous Composites está trabajando con una variedad de empresas para desarrollar un ecosistema tecnológico incluidos OEM, proveedores de máquinas, integradores de robótica, proveedores de materiales y empresas de software. "Tenemos 7 patentes concedidas con 76 no provisionales solicitudes de patente pendientes y otras 11 provisionales solicitudes de patente pendientes, que cubren más de 250 patentadas y conceptos de patente pendiente . Continuamos desarrollando nuestra tecnología y buscamos implementar nuestra tecnología a empresas de todas las industrias, incluidas la aeroespacial, la automoción, la defensa, la construcción, etc. ”