La fabrication additive repensée :impression thermodurcissable renforcée de fibres à grande échelle

Magnum Venus Products (MVP), l'un des principaux fabricants d'équipements d'application de composites, a commencé à travailler sur sa machine de fabrication additive réactive (RAM) en 2017. La même année, Polynt, un fournisseur de polymères thermodurcissables, de gelcoats et de SMC, a commencé à travailler avec Oak Ridge. Laboratoire national (ORNL) pour développer un matériau réactif à utiliser dans le système RAM. Par CAMX 2018 (15-18 octobre, Dallas, TX), les efforts de l'équipe ont été récompensés par le prix ACE Infinite Possibility Award pour son imprimante 3D à grande surface pour matériaux thermodurcissables. Cette semaine, CW ont assisté à un événement de lancement au cours duquel ces trois partenaires ont fait la démonstration du premier système de fabrication additive composite thermodurcissable à grande échelle au monde à l'installation de démonstration de fabrication (MDF) du ministère de l'Énergie (DOE) à l'ORNL.

La machine de fabrication additive réactive (RAM) de MVP et le matériel d'impression Polynt Reactive Deposition PRD-1520 sont présentés au Oak Ridge National Laboratory (ORNL). SOURCE | CW

Fabrication additive réactive (RAM)

Bien que la technologie ait été développée pour permettre l'impression 3D avec des thermodurcissables à séchage UV, les supports d'impression RAM et Polynt Reactive Deposition PRD-1520 constituent le premier système à grande échelle - l'enveloppe de construction actuelle est de 8 pieds sur 16 pieds sur 3,5 pieds - pour utiliser une résine réactive qui durcit à température ambiante sans activation UV. Cette technologie est destinée aux montages à faible coût, aux outils de thermoformage et aux moules d'autoclave, ainsi qu'à un plus large éventail d'applications. "RAM fournit des produits plus solides et plus économes en énergie avec des propriétés thermiques améliorées", a expliqué le MVP CEP Bob Vanderhoff.

Le système RAM comprend la grande plate-forme d'impression et un système de pompage MVP au sol, avec seulement la tête d'impression montée sur le portique contrôlé par ordinateur. Le système de pompage mesure et dose avec précision la résine d'ester vinylique renforcée de fibres de verre courtes et l'initiateur de peroxyde dans un mélangeur statique dans la tête d'impression. La résine mélangée est ensuite extrudée à travers une buse, similaire à la plupart des systèmes de modélisation par dépôt en fusion (FDM). « En utilisant une buse de 1,2 millimètre de diamètre, la vitesse d'impression est d'environ 1,2 mètre/seconde», a déclaré John Lindahl, responsable technique de l'ORNL pour les polymères/composites thermodurcissables dans la fabrication additive (A.M.). « La RAM peut atteindre des fonctionnalités à l'échelle FDM tout en offrant un rendement élevé de près de 7 kg/h (15 lb/h). »

SOURCE | https://www.mvpind.com/3d-printer/

La plate-forme de construction est modulaire, composée de huit segments. "Chacun d'entre eux est facilement supprimé et indexé », note Vlastimil Kunc, chef du groupe scientifique de fabrication ORNL. « Je peux les déplacer avec mes doigts, vous pouvez donc en retirer un et le remplacer par un autre si vous souhaitez le post-polymériser ou l'usiner. » Cela modularise ensuite le processus afin qu'il puisse être mis à l'échelle pour la production de pièces en grand volume. « Nous avons également un robot pick-and-place intégré capacité dans la RAM pour intégrer des capteurs, des thermocouples, des étiquettes RFID et des éléments chauffants, par exemple, selon les besoins », ajoute-t-il.

« RAM est également équipé de caméras infrarouges et de capteurs optiques pour surveiller l'exotherme et la température pendant la construction », note Lindahl. « Nous avons développé un modèle thermo-chimio-rhéologique 1D que nous utilisons avec un mur semi-infini, qui est la caractéristique la plus difficile à construire avec ces matériaux. Le modèle nous indique, en fonction de la résine d'impression et de la réaction, de quel temps de couche vous avez besoin, à quelle vitesse vous pouvez imprimer (sortie volumétrique) et à quelle température il exotherme. Tout cela nous guide dans l'optimisation des paramètres d'impression RAM et comprendre pleinement le comportement viscoélastique de la résine imprimée pendant le gel, le durcissement et l'impression entièrement terminée. »

L'imprimante RAM est équipée de caméras infrarouges et de capteurs optiques qui surveillent l'exotherme et la conformité aux paramètres optimisés, tels que définis par le modèle thermo-chimio-rhéologique de l'ORNL. SOURCE | CW

Polynt Reactive Deposition (PRD-1520) pour plus d'efficacité

PRD-1520 est une résine d'ester vinylique insaturé pré-promu et pré-composée conçue avec une viscosité élevée (2,5 à 3,0 millions de cPs) pour le pompage et l'impression 3D. Il a été conçu pour être utilisé dans l'imprimante MVP RAM, avec un faible retrait et une température de déviation thermique (HDT) de 94°C/201°F et une température de transition vitreuse de 107°C/225°F. Ceci est comparé à un HDT de 56°C, 88-98°C et 110°C pour le PLA, l'ABS et le nylon, respectivement, selon les fournisseurs de filaments d'impression 3D. « Cependant, la chimie en instance de brevet du PRD-1520 permet une liaison chimique entre les couches imprimées , qui augmente les propriétés des structures imprimées en 3D, notamment une résistance dans la direction z 2 à 4 fois supérieure à celle des thermoplastiques », a expliqué Steve Voeks, directeur R&D de Polynt. Il a également noté le long temps ouvert de la résine (temps de gel de 20-25 minutes), "qui permet d'imprimer de grandes structures avec des démarrages et des arrêts et de longs intervalles entre les couches". Cette capacité à imprimer sur des matériaux préalablement déposés mais encore souples augmente considérablement la liberté de parcours de l'outil.

« Le développement de trajectoires d'outils que nous avons effectué est unique aux matériaux thermodurcissables », a expliqué Lindahl. « Nous pouvons imprimer des structures très efficaces en commençant par un remplissage clairsemé, puis en le complétant avec une couche sans vide . Nous commençons par une alternance de couches 0°/90° puis vers des chemins d'impression 0° et 90° en une seule couche de transition qui est ensuite surmontée d'une couche d'impression solide. Cela vous permet d'imprimer de grandes surfaces tout en réduisant considérablement le matériel d'impression ainsi que le poids, le temps d'impression et le coût. Un article technique expliquant cette technologie sera présenté par le chercheur post-doctoral de l'ORNL Chris Hershey au CAMX 2019 le jeudi 26 septembre à 10h00. « Large-Scale Reactive Extrusion Deposition of Sparse Infill Structures with Solid Perimeters » a déjà reçu le prix CAMX 2019 Outstanding Technical Paper et le meilleur article de la conférence sur la fabrication additive.

« En utilisant le PRD-1520, la RAM est actuellement la la plus économe en énergie Imprimante 3D pour les matériaux polymères et composites », explique Lindahl. Notamment, le matériau thermodurcissable ne nécessite pas de table ou de chambre chauffée. La chaleur normalement requise pour faire fondre les granulés thermoplastiques n'est pas non plus nécessaire.

« Nous avons bénéficié d'une collaboration mutuellement bénéfique avec Polynt et MVP en vue de la fabrication additive de polymères réactifs de nouvelle génération », a déclaré Bill Peter, directeur de MDF. « Avec le soutien du bureau de fabrication avancée du DOE, nous prévoyons de poursuivre la recherche fondamentale pour améliorer cette technologie et mieux comprendre la science sous-jacente tout en démontrant d'autres processus et applications écoénergétiques avec nos partenaires de l'industrie. »

Pour en savoir plus, visitez MVP sur le stand G2 et ORNL sur le stand S25 à CAMX 2019 (23-26 septembre, Anaheim, CA) ou contactez Hannah Jay à MVP, Rick Pauer à Polynt ou Jennifer Burke à ORNL.