Révolutionner la fabrication composite : impression 3D magnétique pour matériaux sur mesure

Fortify (Boston, Mass., États-Unis) a été fondée en 2016, basée sur recherche impression 3D composite par Josh Martin (PDG Fortify) et Randall Erb, directeur labo DAPS à Northeastern University Boston. (Erb est aussi co-fondateur de Boston Materials et Fortify.) Leur but : permettre production rapide composites avec microstructures optimisées. La technologie brevetée Fluxprint qu'ils ont développée utilise champs magnétiques et traitement lumière numérique (DLP) — mais avec systèmes résine hautement chargés — pour produire microstructures sur mesure en pièces composites imprimées 3D haute résolution.

 

Fluxprint vs DLP

DLP et stéréolithographie (SLA) sont actuellement vus comme technologies impression 3D offrant complexité et précision pièces les plus hautes. Les deux reposent sur utilisation lumière — typiquement ultraviolet (UV) — pour durcir résine photosensible qui comprend généralement époxy et monomères acrylique et méthacrylique. La lumière est dirigée numériquement pour briller sur résine dans cuve système pour créer formes ou motifs pour chaque couche. La plateforme fabrication est déplacée après chaque couche, permettant couche suivante imprimée et procédant à pièce finie solide.

Projecteurs DLP et SLA remontent aux débuts impression 3D années 1980. Imprimantes DLP tendent à être plus grandes car elles logent projecteur lumière réel. La plupart machines SLA et DLP utilisent polymères thermodurcissables, mais EnvisionTEC fait imprimante pouvant aussi utiliser thermoplastiques. Les deux ont traditionnellement utilisé polymères purs sans renforcement.

Comparaison DLP vs SLA. Source | Royal Society of Chemistry et « DLP vs SLA – 3D Printing Technologies Shootout » par Ricardo Pires, all3DP.com

 

« Les plateformes DLP sont capables de taux production et qualité suffisants », dit Josh Martin, PDG Fortify, « mais propriétés mécaniques ont toujours été un défi. Notre thèse cœur est qu'un saut performance ne sera pas accompli par chimie polymère seule. Cependant, exploiter propriétés uniques composites dans industrie additive haute résolution sera game changer. »

Il explique que Fortify se spécialise dans durcissement UV résines techniques hautement chargées utilisant additifs uniques et contrôle orientation de ces additifs améliorant propriétés dans l'impression. Charges incluent fibres verre, carbone, céramique et particules. Résines techniques incluent acrylate et méthacrylate-base (PMMA) ou époxy-base, cationique-base — que Martin explique sont plus conventionnelles pour industrie revêtements. Grands fabricants résines monde (BASF, DSM, Dupont, autres) investissent lourdement pour faire avancer propriétés de leurs matériaux additifs. Fortify peut sélectionner meilleures de ces avancées pour ajouter leur technologie renforcement.

Contrôle orientation fibres obtenu en utilisant champ magnétique. Pendant qu'Imprimante 3D Fortify imprime pièce avec technologie Fluxprint, fibres sont alignées magnétiquement voxel-par-voxel pour répondre exigences charge pièce. (Voir procédé en action dans vidéo ci-dessus.) Pour matériaux renforçants non-magnétiques, comme particules et fibres céramique et verre, techniques magnétiques propriétaires d'étiquetage sont utilisées pour enrober charges façon les rendre magnétiquement responsives et compatibles avec résine.

 

Procédé Fluxprint montré image ci-dessus et décrit comme suit :

1. Une couche matériau alimentation fournie zone construction avec renforcement aligné aléatoirement.
2. Champ magnétique appliqué pour aligner renforcement.
3. Voxels actifs exposés lumière UV, fixant orientation renforcement dans ces voxels (maintenant montrés rouge).
4. Champ magnétique déplacé pour nouvelle orientation renforcement.
5. Répéter étape exposition UV pour fixer orientation prochain ensemble voxels (répéter si besoin).
6. Plateau construction ajuste pour amener matériau matrice non-durci pour prochaine couche impression.

La technologie Fluxprint permet contrôle niveau voxel orientation fibres pendant processus impression. Source | « Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing » par Joshua J. Martin, Brad E. Fiore et Randall M. Erb, Nature Communications volume 6, Article number: 8641 (2015).

 

Pourquoi voxel-par-voxel ?

« Chaque géométrie a états contrainte et déformation uniques », explique Martin. « La plupart composites sont fabriqués main pour en tenir compte. On digitalise le processus. Par exemple, si vous pouvez proprement renforcer cadre UAV, vous pouvez utiliser moins matériau. Toute application travaillant contre gravité bénéficiera fondamentalement de ceci. »

L'impression voxel-par-voxel est aussi intrinsèquement haute résolution. « C'est le procédé fabrication composite plus haute résolution à ce jour », dit Martin, notant que modélisation par dépôt fondu (FDM) — où filament plastique non-renforcé ou renforcé fibre broyée est fondu et déposé sur plateau impression — a résolution centaines micromètres alors que Fluxprint dans dizaines micromètres. « Donc, c'est un ordre grandeur amélioration, qui entre territoire au-delà ce perçu œil nu. Ce genre résolution très important pour grande variété pièces fin d'utilisation. »

La technologie impression 3D magnétique Fluxprint Fortify peut orienter fibres pour renforcer projections « tenon » sur outils moulage injection. Source | Fortify.

« On offre outils moulage injection significativement moins chers qu'usinage métal traditionnel, livrables en fraction du temps et fournissant fonctionnalités que pratiques usinage conventionnel ne pourraient pas atteindre », continue Martin. « Un client itérerait 12 designs différents/an usinés aluminium. On a compressé leur time-to-market significativement, produisant plus douzaine designs en plusieurs mois. Ils peuvent maintenant passer design à pièces en rayon en quelques semaines. » Autre avantage : capacité renforcer projections, appelées « tenons ». Ces extrusions haut rapport aspect s'arrachent souvent. Renforcement empêche ça, tout en tenant tolérances serrées.

Lisez plus sur bénéfices Fortify outillage moulage injection dans magazine frère CW Additive Manufacturing.

 

Matériaux ouverts, nouveaux développements

Fortify poursuit approche matériaux ouverte. « On ne veut pas limiter capacité croissance et exploration clients dans additif », explique Karlo Delos Reyes, VP applications Fortify. « On garantit clients flexibilité et meilleurs matériaux disponibles en embrassant innovation ouverte. »

« On partenaire avec grands fabricants polymères et adapte chimie surface additifs », dit Martin. Il note que chaque charge a ses propres pour/contre concernant résistance usure, performance température, etc. « Pour fibres, longueurs vont de quelques µm à quelques mm, selon application. Où on a besoin résolution surface, on utilise pourcentage plus haut additifs plus courts. Où on peut tolérer surface plus rugueuse mais optimiser résistance traction, par exemple, on utilise additifs fibres plus longues. »

Une des stratégies Fortify est partenariats leaders industrie et fournisseurs pour tirer expertise et permettre pollinisation croisée idées. Fortify a récemment annoncé partenariat avec DSM Additive Manufacturing (Hoek van Holland, Pays-Bas et Elgin, Illinois, États-Unis) pour développer matériaux composites haute performance utilisés dans systèmes impression Fortify pour performance mécanique et température étendue. « Ils élargiront notre palette résines », dit Martin, « et on est excités de travailler avec eux pour développer résines pointe. »

Pièce composite renforcée fibre verre faite avec Fluxprint. SOURCE | Fortify.

 

Renforcement direction Z et applications

Fluxprint imprime toujours par couches. Donc, possible renforcement direction Z ? « Si vous imprimez fibres 2 mm long, vous ne pouvez pas les mettre en direction Z », dit Martin. « Mais vous pourriez mettre fibres plus courtes en orientation Z. On regarde échelles multiples longueurs et on voit ça se développer futur pour transfert charge optimisé. »

Fortify produit déjà pièces pour UAVs, incluant hélices, et voit beaucoup plus telles applications aérospatiales. « On a petite zone construction, donc on focus applications où on peut facilement rencontrer petits volumes pièces », dit Martin. « C'est écosystème mature, mais on offre nouveau niveau performance propriétés mécaniques hautes températures et tolérances. » Il cite capacité améliorer température déformation chaleur pièce et explique qu'il y a douzaines pièces sous-capot auto nécessitant fournir résistance et rigidité exposées 160 °C. « De telles pièces géométries complexes se prêtent bien à impression 3D avec notre technologie. Comparé méthode actuelle moulage/usinage pièces PEI (polyétherimide), on offre performance plus haute, délai plus court et fort potentiel coût plus bas. »

Outillage aussi marché actuel, incluant matrices, gabarits et fixations moulage injection. « Encore, nos pièces plus rigides, plus résistantes et plus haute résistance température, gardant précision dimensionnelle en service », dit Martin. « Mais leur vraie valeur réside dans ne pas requérir post-traitement significatif, comme requis avec machines EDM, et pourtant elles matchent qualité fixations faites ces méthodes traditionnelles, incluant fraisage CNC. »

 

Source | MultiMechanics

Faire avancer prochaine génération composites multi-échelle, multifonctionnels

Fortify a partnerisé avec MultiMechanics (Omaha, Nebraska, États-Unis), développeur logiciel modélisation et simulation multi-échelle pour matériaux avancés. Ce partenariat est intéressant pour plusieurs raisons. Premièrement, Fortify utilisera produit phare MultiMechanics, MultiMech, pour prédire performance pièces et optimiser leur design et orientation fibres avant impression. Ainsi, MultiMech agira pour fournir retour pour design itératif boucle fermée, permettant utilisateurs plus rapidement adapter et optimiser pièces composites Fluxprinted. Fortify et MultiMechanics prévoient aussi d'intégrer MultiMech dans logiciel INFORM Fortify design génératif et contrôle impression. Ainsi, du design au test virtuel à l'impression — toutes fonctions contrôlées dans flux digital unique.

Pour second point, important comprendre ce que MultiMechanics offre via logiciel MultiMech :

• Analyse éléments finis multi-échelle, incluant modélisation nombre pratiquement illimité échelles (ex: nano, micro, pli, stratifié, pièce).

• Génération automatique microstructures 3D complexes, et modélisation presque toute microstructure matériau, incluant fibres continues et hachées, particules, vides, mousses, tissus, etc.

• Modélisation effets constituants microéchelle, incluant interactions, fractions volumiques, distribution et orientation, plus import variation induite processus depuis programmes (ex. Moldex3D, Moldflow).

• Analyser comment variation fabrication affecte performance pièce et effectuer modélisation dommages incluant transition multi-échelle micro-fissures en macro-fissures.

Cela revient à pourquoi Martin et Erb ont fondé Fortify au début. Dans leur article 2015, « Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing » ils déclarent :

Martin et Erb discutent composites naturels qui utilisent fibres discontinues et particules renforçantes organisées en architectures complexes multi-échelle pour atteindre propriétés supérieures vs constituants. Exemple donné par Qunfeng Cheng dans article 2017 Materials Today est nacre coquilles ormeaux. Comprenant 95 % vol aragonite inorganique et 5 % vol matrice protéine organique, la tenacité fracture nacre est 3 000 fois plus haute que aragonite. Cheng note ceci montre « effet amplification » propriétés mécaniques qui va bien au-delà règle mélanges composites traditionnels.

Dans article 2018 Advanced Materials, « Additive Manufacturing as a Method to Design and Optimize Bioinspired Structures », auteurs Audrey Velasco-Hogan, Jun Xu et Marc A. Meyers affirment que structure hiérarchique matériaux comme nacre, os, bambou et coquilles crustacés sont ce qui permet leur combinaison impressionnante résistance, module, légèreté, ténacité et résistance fatigue. Leurs constituants particules/filaments et matrice sont organisés différemment à chaque niveau (ex: nano-, micro-, méso-, macro-), variant propriétés à chaque niveau (i.e., composite multi-échelle). Combiné avec interfaces efficaces entre niveaux, cette structure hiérarchique travaille synergistiquement pour atténuer propagation fissures et améliorer ténacité tout en maintenant dureté — chose pas encore atteinte céramiques après ~siècle essais.

 

Futur composites et INFORM

C'est le futur composites : design composites hiérarchiques aux propriétés uniques sur mesure pour applications précises. Et c'est déjà avancé, rapidement. Par exemple, Centre Aérospatial Allemand (DLR) Institut Structures et Design à Stuttgart a aussi partnerisé avec MultiMechanics pour comprendre comment changement température affecte microstructure et comportement matériau composites matrice céramique (CMC). Cette analyse jugée cruciale pour futurs composants CMC DRL, incluant buses fusées et systèmes protection thermique véhicules rentrée entre autres. « Notre travail MultiMechanics dix dernières années dédié à connecter précisément comportement microstructural matériaux avancés à performance pièce globale et sa fabrication », dit Dr. Flavio Souza, président et CTO MultiMechanics. « MultiMech nous permet modéliser fissures microstructurales et déterminer comment elles affecteraient pièce composite globale », déclare Neraj Jain, chef groupe Département Composites Céramiques et Structures DLR. « Intégration efficace MultiMech avec nos autres outils EFE comme Abaqus et ANSYS augmente productivité et nous rapproche but optimiser matériaux CMC virtuellement. »

Une fois ces composites optimisés virtuellement, ils sont alors imprimés, avec MultiMech intégré dans logiciel INFORM Fortify, déjà orienté architectures organiques charge-optimisées via sa colonne vertébrale design génératif. (Notez que business unit Matériaux Composites Solvay a aussi investi dans MultiMechanics et technologie impression 3D.)

Réseau fibre-renforcé, design fourni par nTopology. Source | Fortify.

« INFORM utilise algorithmes avancés pour optimiser orientation fibres pour chaque pièce », explique Martin. « Là où workflow impression 3D traditionnel commence STL pour trancher design, le nôtre commence par EFE (modèle avec contrainte/déformation) et puis décide quels voxels séparer design modélisé et comment orienter fibres. On progresse par itérations, alignant fibres avec vecteurs champ contrainte/déformation, et simule comment cette impression se comportera et utilise ces données pour raffiner et optimiser design, atteignant design génératif microstructural. »

 

Seulement le début

Notez que ces futurs composites incluent gamme matériaux. Laboratoire Recherche Navale (NRL, Arlington, Virginie, États-Unis) développe CMC utilisant matrice céramique avec renforcement céramique secondaire via nanoparticules et/ou filaments. Ces CMC peuvent aussi utiliser renforcement fibres continues. En d'autres termes, différents constituants et architectures peuvent être utilisés à chaque niveau pour ténacité améliorée et propriétés électriques/thermiques sur mesure requises (ex: hypersoniques, lire plus dans mon article juillet 2019 nanocomposites).

SOURCE | Figure 3, « Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing » par Joshua J. Martin, Brad E. Fiore et Randall M. Erb, Nature Communications, volume 6 (2015).

 

Composites hiérarchiques aussi imprimés et testés utilisant encres époxy renforcées et matrices polymères thermoplastiques. C'est peut-être plus grand atout Fortify comme start-up. Ce n'est pas juste préparer composites futur, c'est déjà les designer et produire. Et même si ce déjà réalisé impressionnant — ce n'est que le début.