Avanzando en impresión 3D: Manufactura de composites reforzados con fibra continua

CW ha escrito sobre composites impresos en 3D con fibra continua desde 2014, cuando MarkForged lanzó la impresora Mark One en la conferencia SolidWorks World (26-29 ene 2014). Luego cubrimos a Arevo y su desarrollo de impresión multi-eje usando fibra continua, incluyendo en dirección z y a lo largo de contornos mediante brazo robótico. Este año, escribimos sobre Orbital Composites y su trabajo con el Centro de Tecnología de Composites en impresión de composites de fibra continua.

Sin embargo, hay una empresa que imprime en composites continuos desde 2012. CW publicó en realidad una breve nota lateral sobre Continuous Composites (Coeur D'Alene, ID, EE. UU.) en ene 2017 pero sus logros merecen una discusión más extensa:

• Impresión en tres dimensiones con cualquier fibra continua incluyendo aramida, vidrio (FV) y carbono (FC), cobre, alambre de nicromo y fibra óptica.
• Usa resinas termofijas de curado UV para permitir impresión de alta velocidad e impresión sin soporte en el espacio.
• Permite manufactura de composites sin molde, fuera de autoclave y optimización de trayectoria de carga.
• Demostrado en AutoDesk University 2017 un timón impreso en 3D, multimaterial (cáscara de CF picado/ABS, marcos de armadura de FV/epoxi continuo) completo con fibra óptica impresa que puede sentir y comunicar cambios en temperatura, presión, aceleración y conductividad eléctrica.

FUENTE de todas las imágenes: Continuous Composites

CF3D

 "Combinamos el poder de los materiales compuestos con un proceso de impresión 3D usando robótica avanzada", dice el CEO de Continuous Composites, Tyler Alvarado. 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 a imprimir mediante capas 2D así que podemos aprovechar al máximo las propiedades anisotrópicas de los materiales compuestos orientando discretamente las fibras en cada dirección".

Alvarado señala que también es posible ajustar resinas termofijas para cada aplicación del cliente, por ejemplo, aumentando módulo, o alternativamente, tenacidad, o incluso propiedades de resistencia al fuego. CF3D también es apto para imprimir con resinas termoplásticas y Continuous Composites ha demostrado impresión con materiales termofijos y termoplásticos en la misma estructura.

"Estamos logrando 50-60% de volumen de fibra", dice Alvarado, quien añade que la compactación variable del laminado impreso se ha incorporado en el cabezal de impresión. "Cuando imprimimos una estructura en espacio libre, no estamos compactando contra una herramienta, así que la consolidación es diferente. La primera trayectoria para una estructura no tiene soporte, y por tanto, necesita poca presión porque no hay nada contra qué presionar. Las capas subsiguientes, sin embargo, pueden tener presión aplicada para compactación".

En 2016 y 2017, Continuous Composites construyó una celda de fabricación robótica con control de movimiento aumentado y volumen de construcción. Como en toda impresión 3D, el software genera el código para el movimiento de la máquina. Sin embargo, como la generación de trayectoria de herramienta es muy diferente en CF3D, Continuous Composites está desarrollando su propio software. "Las soluciones estándar no funcionan para generación de trayectoria de herramienta de fibra continua ya que ya no estamos limitados a apilar capas 2D", explica Alvarado. El software CF3D también automatiza luces UV para curado de resina, corte del filamento de impresión cuando es necesario y control de presión de compactación.

"El nuevo cabezal de impresión que desarrollamos es mucho más activo", dice Alvarado. "Nuestro nuevo efectador final tiene tensado adaptativo y control dinámico de suministro de resina."

Alvarado dice que CF3D puede imprimir 16 tows de ancho usando tow de carbono 12K y resina epoxi. Ha producido muestras de 3 capas de espesor con menos del 1% de porosidad y una resistencia a tracción media de 111 ksi. Estas pruebas mecánicas se hicieron como parte de un proyecto de 2017 para un contratista del Departamento de Defensa de EE. UU. "Seguimos mejorando y esperamos superar 200 ksi pronto", afirma Alvarado. "También hemos completado pruebas de fuego, humo y toxicidad (FST) para aplicaciones de interiores aeroespaciales", añade.

Estructuras sensorizadas

La tecnología CF3D facilita la impresión de estructuras compuestas multifuncionales. Por ejemplo: alambre de cobre continuo puede imprimirse para alimentar electrónica, alambre de nicromo continuo puede imprimirse para incrustar calor para aplicaciones anti-hielo o fibra óptica continua puede imprimirse para monitorización de salud estructural (SHM) en tiempo real y optimización de rendimiento de una estructura compuesta.

Continuous Composites imprimió el aerofolio demo arriba en 2017 incluyendo:

• Continuas armaduras de soporte de fibra de vidrio impresas sin soporte desde la parte superior a la inferior del aerofolio.
• Alambre de cobre continuo alimentando luces LED en borde de ataque.
• Alambre de nicromo para anti-hielo en el borde de ataque.
• Fibra óptica en el extradós que puede usarse para recopilar datos.

En nov 2017, Continuous Composites, Form Forge (Portland, OR, EE. UU.) y AutoDesk colaboraron para producir un timón composite sensorizado como parte de la exhibición "Making Waves" con Livrea Yacht (Palermo, Italia) en la conferencia anual AutoDesk University.

El timón medía aproximadamente 1,37 m de alto, impreso con 20% ABS reforzado con fibra de carbono picada (acrilonitrilo butadieno estireno) termoplástico para la cáscara o piel, y fibra de vidrio continua para los soportes estructurales de armadura. El equipo también imprimió fibra óptica avanzada en el timón.

El timón terminado se expuso en el stand de AutoDesk U. "Dejamos que la audiencia lo tocara, y los sensores del timón recopilaron 5 Gigabytes de datos en 2 días, rastreando temperatura, aceleración y cambios de tensión", relata Alvarado. "Al incrustar esta funcionalidad, podemos recopilar y analizar el rendimiento de la estructura para monitorización de salud en tiempo real y optimización de rendimiento".

Piénselo un minuto: el timón y los foils de su yate de regatas ahora pueden alimentar datos reales de vuelta a su análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD) y software de diseño para optimizar inteligentemente el diseño de la estructura individual y el rendimiento general del barco. Y, por supuesto, el timón y los foils podrían ser en su lugar estructuras de aeronaves o automotrices.

"Queríamos demostrar nuestra capacidad para combinar tecnología CF3D con múltiples materiales y múltiples modos de manufactura aditiva en una celda", dice Alvarado. Señala que la flexibilidad para ajustar resinas termofijas también se demostró modificando la resina usada con la fibra continua para adherir a la fibra picada/ABS.

El futuro de la manufactura

Continuous Composites es audaz en su visión futura para CF3D. Ve la tecnología como habilitadora de manufactura local y un resurgimiento de la manufactura estadounidense, pero también un camino hacia procesos de producción más sostenibles. "Nuestra tecnología resuelve muchos problemas de los métodos tradicionales de manufactura de composites", dice Alvarado. "Hemos automatizado la colocación de fibra en todas las direcciones, abriendo posibilidades de diseño y eliminando la necesidad de costosos moldes, autoclaves y hornos". Añade que al eliminar estas restricciones, CF3D puede combinar múltiples componentes en una sola pieza impresa e incrustar funcionalidad, todo en un solo proceso de manufactura. "Nuestra tecnología es un nuevo método de manufactura emergente que disruptará muchas industrias".

Alvarado dice que Continuous Composites está trabajando con una variedad de empresas para desarrollar un ecosistema tecnológico incluyendo OEMs, proveedores de máquinas, integradores de robótica, proveedores de materiales y empresas de software. "Tenemos 7 patentes concedidas con 76 solicitudes de patente no provisionales pendientes y 11 provisionales adicionales pendientes, cubriendo más de 250 conceptos patentados y pendientes de patente. Seguimos desarrollando nuestra tecnología y buscando desplegarla en empresas de todas las industrias, incluyendo aeroespacial, automotriz, defensa, construcción, etc."