Révolutionner la fabrication additive : impression 3D à grande échelle de thermodurcissables renforcés de fibres

Magnum Venus Products (MVP), fabricant leader d'équipements d'application composites, a commencé à travailler sur sa machine de fabrication additive réactive (RAM) en 2017. La même année, Polynt, fournisseur de polymères thermodurcissables, gelcoats et SMC, a commencé à travailler avec le Oak Ridge National Laboratory (ORNL) pour développer un matériau réactif à utiliser dans le système RAM. Au CAMX 2018 (15-18 oct, Dallas, TX), les efforts de l'équipe ont été récompensés par le prix ACE Infinite Possibility pour son imprimante 3D grande surface pour matériaux thermodurcissables. Cette semaine, CW a assisté à un événement de lancement où ces trois partenaires ont démontré le premier système mondial de fabrication additive composite à grande échelle pour thermodurcissables au Manufacturing Demonstration Facility (MDF) du Department of Energy (DOE) à l'ORNL.

La machine RAM de MVP et le matériau d'impression Polynt Reactive Deposition PRD-1520 sont démontrés au Oak Ridge National Laboratory (ORNL). SOURCE : CW

Fabrication additive réactive (RAM)

Bien que la technologie ait été développée permettant l'impression 3D avec des thermodurcissables à durcissement UV, RAM et le média d'impression Polynt Reactive Deposition PRD-1520 constituent le premier système à grande échelle — enveloppe de construction actuelle de 2,4 m x 4,9 m x 1,1 m — à utiliser une résine réactive qui durcit à température ambiante sans activation UV. Cette technologie vise les outillages à faible coût, outils de thermoformage et moules d'autoclave, ainsi qu'une gamme plus large d'applications. « RAM livre des produits plus résistants, plus économes en énergie avec des propriétés thermiques améliorées », a expliqué Bob Vanderhoff, PDG de MVP.

Le système RAM comprend la grande plateforme d'impression et un système de pompage MVP monté au sol, seule la tête d'impression étant montée sur le portique à commande numérique. Le système de pompage dose avec précision la résine vinylester renforcée de fibres de verre courtes et l'initiateur 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 fondu (FDM). « Avec une buse de 1,2 mm de diamètre, la vitesse d'impression est d'environ 1,2 m/s », a déclaré John Lindahl, responsable technique ORNL pour les polymères/composites thermodurcissables en fabrication additive. « RAM peut atteindre des caractéristiques à l'échelle FDM tout en délivrant un débit élevé d'environ 7 kg/h (15 lb/h). »

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

La plateforme de construction est modulaire, composée de huit segments. « Chacun de ces segments est facilement retirable et indexable », note Vlastimil Kunc, chef de groupe science de la fabrication à l'ORNL. « Je peux les déplacer avec mes doigts, donc vous pourriez en retirer un et le remplacer par un autre si vous vouliez le post-cuire ou l'usiner. » Cela modularise le processus pour qu'il puisse être mis à l'échelle pour la production de pièces en grande série. « Nous avons également intégré une capacité de robot pick-and-place dans RAM pour intégrer capteurs, thermocouples, étiquettes RFID et éléments chauffants, par exemple, selon les besoins », ajoute-t-il.

« RAM est également équipé de caméras infrarouges et de capteurs optiques pour surveiller l'exothermie 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, quel temps de couche vous avez besoin, à quelle vitesse vous pouvez imprimer (débit volumétrique) et à quelle température elle exothermera. Tout cela nous guide dans l'optimisation des paramètres d'impression RAM et la compréhension complète du comportement viscoélastique de la résine imprimée pendant le gel, la polymérisation et l'impression terminée. »

L'imprimante RAM est équipée de caméras infrarouges et de capteurs optiques qui surveillent l'exothermie 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 l'efficacité

PRD-1520 est une résine vinylester insaturée pré-promue, pré-composée, conçue avec une viscosité élevée (2,5-3,0 millions de cPs) pour le pompage et l'impression 3D. Elle a été conçue pour l'imprimante RAM de MVP, présentant un faible retrait et une température de fléchissement sous charge (HDT) de 94 °C / 201 °F et une température de transition vitreuse de 107 °C / 225 °F. Cela se compare 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 brevetée en instance de PRD-1520 permet une liaison chimique entre les couches imprimées, ce qui augmente les propriétés des structures imprimées 3D, y compris une résistance en direction Z 2 à 4 fois supérieure par rapport aux 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), « ce qui permet d'imprimer de grandes structures avec des arrêts et démarrages et de longs intervalles entre les couches. » Cette capacité à imprimer sur des matériaux précédemment déposés mais encore mous augmente significativement la liberté de trajectoire d'outil.

« Le développement de trajectoire d'outil que nous avons fait est unique aux matériaux thermodurcissables », a expliqué Lindahl. « Nous pouvons imprimer des structures très efficaces en commençant par un remplissage sparse et en le coiffant d'une couche sans vide. Nous commençons avec des couches alternées 0°/90° puis passons à des trajectoires d'impression 0° et 90° dans une seule couche de transition qui est ensuite coiffée d'une couche d'impression solide. Cela permet d'imprimer de grandes surfaces en réduisant significativement le matériau 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 Chris Hershey de l'ORNL 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 du meilleur article technique CAMX 2019 et le meilleur article dans la conférence sur la fabrication additive.

« En utilisant PRD-1520, RAM est actuellement l'imprimante 3D la plus économe en énergie pour les matériaux polymères et composites », dit Lindahl. Notamment, le matériau thermodurcissable ne nécessite pas de plateau ou de chambre chauffée. N'est également pas nécessaire la chaleur normalement requise pour fondre les granulés thermoplastiques.

« Nous avons apprécié une collaboration mutuellement bénéfique avec Polynt et MVP sur la fabrication additive de polymères réactifs de prochaine génération », a déclaré Bill Peter, directeur du MDF. « Avec le soutien du Bureau de la fabrication avancée du DOE, nous prévoyons de continuer la recherche fondamentale pour améliorer cette technologie et mieux comprendre la science sous-jacente tout en démontrant davantage de processus et applications économes en énergie avec nos partenaires industriels. »

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