Impression 3D de composites avec fibre continue

CW écrit sur les composites imprimés en 3D renforcés de fibres continues depuis 2014, lorsque MarkForged a lancé l'imprimante Mark One lors de la conférence SolidWorks World (26-29 janvier 2014). Nous avons ensuite abordé Arevo et son développement de l'impression multi-axes utilisant la fibre continue, y compris dans la direction z et le long des contours via un bras robotisé. Cette année, nous avons écrit sur Orbital Composites et son travail avec le Composites Technology Center dans l'impression de composites à fibres continues.

Cependant, il existe une entreprise qui imprime en composites continus depuis 2012. CW a effectivement publié un petit encadré sur Continuous Composites (Coeur D'Alene, ID, US) en janvier 2017, mais ses réalisations méritent une discussion plus longue :

• Impression en trois dimensions avec n'importe quelle fibre continue y compris aramide, verre (GF) et fibre de carbone (CF), cuivre, nichrome fil et fibre optique .
• Utilise des résines thermodurcissables à séchage UV pour permettre une impression à grande vitesse et une impression non prise en charge dans l'espace .
• Permet la fabrication de composites sans moule, hors autoclave et l'optimisation du chemin de charge
• Démonstration à l'AutoDesk University 2017 d'une impression 3D , multimatériaux (coque CF/ABS coupée, cadres en treillis GF/époxy continus) gouvernail complet avec fibre optique imprimée qui peut sentir et communiquer les changements de température, pression, accélération et conductivité électrique .

SOURCE pour toutes les images :Composites continus

CF3D

« Nous combinons la puissance des matériaux composites avec un processus d'impression 3D utilisant une robotique avancée », a déclaré Tyler Alvarado, PDG de Continuous Composites. La société a déposé le nom de CF3D pour son impression 3D à fibre continue. « CF3D imprègne la fibre à l'intérieur de la tête et durcit immédiatement après le dépôt du matériau », explique-t-il. « Nous ne sommes pas limités à l'impression via des tranches 2D nous pouvons ainsi tirer pleinement parti des propriétés anisotropes des matériaux composites en orientant discrètement les fibres dans toutes les directions. »

Alvarado note qu'il est également possible de régler les résines thermodurcissables pour l'application de chaque client, par exemple, le module d'amplification, ou encore, la ténacité ou même les propriétés de résistance au feu. CF3D se prête également à l'impression avec des résines thermoplastiques et Continuous Composites a démontré l'impression avec des matériaux thermodurcissables et thermoplastiques dans la même structure .

« Nous atteignons 50 à 60 % de volume de fibres  », déclare Alvarado, qui ajoute cette variable compactage du stratifié imprimé a été incorporé dans la tête d'impression. « Lorsque nous imprimons une structure en espace libre, nous ne compactons pas contre un outil, donc la consolidation est différente. Le premier chemin d'une structure n'est pas soutenu et nécessite donc peu de pression car il n'y a rien contre quoi appuyer. Cependant, les couches suivantes peuvent avoir une pression appliquée pour le compactage. »

En 2016 et 2017, Continuous Composites a construit une cellule de fabrication robotisée avec contrôle des mouvements accru et créer du volume. Comme pour toute impression 3D, le logiciel génère le code pour le mouvement de la machine. Cependant, étant donné que la génération de trajectoire d'outil est très différente dans CF3D, Continuous Composites développe son propre logiciel. « Les solutions standard ne fonctionnent pas pour la génération continue de trajectoires d'outils en fibre, car nous ne sommes plus limités à l'empilement de tranches 2D », explique Alvarado. Le logiciel CF3D automatise également les lampes UV pour le durcissement de la résine, la coupe du filament d'impression si nécessaire et le contrôle de la pression de compactage.

« La nouvelle tête d'impression nous avons développé est beaucoup plus actif », explique Alvarado. « Notre nouvel effecteur final a une tension adaptative et contrôle dynamique de la livraison de résine ."

Alvarado dit que CF3D peut imprimer 16 traits de large en utilisant du carbone 12K câble et résine époxy. Il a produit des échantillons épais à 3 couches avec moins de 1% de porosité et une résistance à la traction moyenne de 111 ksi. Ces tests mécaniques ont été effectués dans le cadre d'un projet de 2017 pour un entrepreneur du ministère américain de la Défense. « Nous continuons de nous améliorer et prévoyons de dépasser bientôt les 200 ksi », affirme Alvarado. "Nous avons également terminé les tests d'incendie, de fumée et de toxicité (FST) pour les applications intérieures aérospatiales", ajoute-t-il.

Structures de détection

La technologie CF3D facilite l'impression de structures composites multifonctionnelles. Par exemple :un fil de cuivre continu peut être imprimé pour alimenter l'électronique, un fil de nichrome continu peut être imprimé pour incorporer de la chaleur pour les applications anti-givrage ou des fibres optiques continues peuvent être imprimées pour la surveillance de la santé structurelle (SHM) en temps réel et l'optimisation des performances d'un composite structure.

Continuous Composites a imprimé le profil aérodynamique de démonstration ci-dessus en 2017, comprenant :

• Continu fermes de support en fibre de verre imprimées sans support du haut vers le bas de la voilure.
• Alimentation continue fil de cuivre Lumières LED sur le bord d'attaque.
• Fil Nichrome pour antigivrage à la pointe de la technologie.
• Fibre optique sur la peau supérieure qui peut être utilisée pour collecter des données.

En novembre 2017, Continuous Composites, Form Forge (Portland, OR, US) et AutoDesk ont ​​collaboré pour produire un gouvernail composite à détection dans le cadre de l'exposition « Making Waves » avec Livrea Yacht (Palerme, Italie) lors de la conférence annuelle de l'Université AutoDesk.

Le gouvernail mesurait environ 4,5 pieds de haut, imprimé avec 20 % d'ABS renforcé de fibre de carbone haché (acrylonitrile butadiène styrène) thermoplastique pour la coque ou la peau, et fibre de verre continue pour les supports structurels en treillis. L'équipe a également imprimé des fibres optiques avancées dans le gouvernail.

Le gouvernail terminé a été exposé sur le stand d'AutoDesk U. « Nous avons laissé le public le toucher , et les capteurs du gouvernail ont collecté 5 gigaoctets de données sur 2 jours, suivi de la température , accélération et changements de stress », raconte Alvarado. « En intégrant cette fonctionnalité, nous pouvons collecter et analyser les performances de la structure pour une surveillance de la santé en temps réel et une optimisation des performances. »

Alors réfléchissez une minute, le gouvernail et les foils de votre voilier de course peuvent désormais renvoyer des données réelles dans votre analyse de dynamique des fluides de calcul (CFD) et un logiciel de conception pour optimiser intelligemment la conception de la structure individuelle et les performances globales du bateau. Et, bien sûr, le gouvernail et les foils pourraient plutôt être des structures d'avion ou d'automobile.

« Nous voulions démontrer notre capacité à combiner la technologie CF3D avec plusieurs matériaux et plusieurs modes de fabrication additive dans une cellule », explique Alvarado. Il note que la flexibilité pour régler les résines thermodurcissables a également été démontrée en modifiant la résine utilisée avec la fibre continue pour adhérer à la fibre hachée/ABS.

L'avenir de la fabrication

Continuous Composites est audacieux dans sa vision future de CF3D. Il considère que la technologie permet une fabrication locale et une résurgence de la fabrication américaine, mais aussi une voie vers plus durable processus de fabrication. « Notre technologie résout de nombreux problèmes rencontrés dans les méthodes traditionnelles de fabrication de composites », déclare Alvarado. « Nous avons automatisé la pose de la fibre dans toutes les directions, ouvrant ainsi des possibilités de conception et éliminant ainsi le besoin de moules, d'autoclaves et de fours coûteux. » Il ajoute qu'en supprimant ces contraintes, CF3D peut combiner plusieurs composants en une seule pièce imprimée et intégrer des fonctionnalités, le tout dans un seul processus de fabrication. "Notre technologie est une nouvelle méthode de fabrication émergente qui va perturber de nombreuses industries."

Alvarado affirme que Continuous Composites travaille avec diverses entreprises pour développer un écosystème technologique y compris les équipementiers, les fournisseurs de machines, les intégrateurs de robotique, les fournisseurs de matériaux et les sociétés de logiciels. « Nous avons 7 brevets accordés dont 76 non provisoires demandes de brevet en instance et 11 autres provisoires demandes de brevet en instance, couvrant plus de 250 brevets et concepts en instance de brevet . Nous continuons à développer notre technologie et cherchons à déployer notre technologie aux entreprises de tous les secteurs, y compris l'aérospatiale, l'automobile, la défense, la construction, etc. »