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3D印刷复合材料,纤维60%,空隙不到1%

9T实验室研发用于工业系列结构部件的连续碳纤维3D打印技术。
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9T Labs工业用红色系列连续纤维复合材料3D打印机

“我们的主要目标是为行业生产结构连续纤维复合材料,”9T实验室(瑞士苏黎世)联合创始人Giovanni Cavolina说。“如果您与制造CFRP(碳纤维增强聚合物)部件的人交谈,最不相信它可以在具有连续纤维3D印刷的层之间实现超低空隙含量或良好的层间剪切强度(ILSS)。”然而,9T实验室开发了一种专利的后流程,消除了空隙。“我们现在可以在层间和空隙含量低于1%以下的粘附性的3D打印连续纤维复合材料,这与常规制造的复合材料竞争。”

从苏黎世联邦理工学院开始

9T实验室开始于一个研究项目复合材料与自适应结构实验室瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的CMAS。卡沃利纳和9T实验室的联合创始人马丁·艾肯霍弗Chester Houwink开发了一种复合材料打印头,Cavolina解释说:“我们将其安装在机械臂上,并为超轻型三明治结构制造晶格型芯,用于航空航天应用。”

苏黎世联邦理工学院的碳工厂项目,用于印刷CFRP网格结构
苏黎世联邦理工学院的碳工厂项目,用于3D打印CFRP网格结构

CFRP网格结构是CMAS,苏黎世联邦理工学院碳工厂项目的一部分。来源|碳工厂,CMAS。

该团队获得了工业界的很多兴趣,Cavolina说,“但我们意识到,这种类型的晶格结构——即在自由空间中挤压棒——在短期内没有足够的商业应用潜力。”这显示出了巨大的技术潜力,但要将这种过程实现自动化,还需要大量的极端研发,但应用还很有限,并不广泛。”

联系本集团的公司实际上要求有些不同的东西。“他们希望一个过程创造他们可以使用的括号和其他整体部分现在。然后我们不得不考虑如何继续下去。”

9T实验室有限发布的产品CarbonKit支持连续碳纤维3D打印

Carbonkit是一种有限的释放产品,使现成的FDM打印机能够使用连续碳纤维,但尚未提供生产成本竞争性的工业CFRP结构部件的正确解决方案。源| 9T实验室。

CarbonKit

因此,9T实验室于2018年初成立,以证明3D打印整体CFRP层压板的概念,可以满足潜在客户的需求。“我们的下一步是CarbonKit,”卡沃利纳说。这是主打的产品连续波的2019年3月的文章”将连续纤维3D打印移动到生产中“。Carbonkit将Ultimaker或Prusa 3D打印机转化为能够用连续碳纤维进行打印的系统。“它允许您将现有的打印机与我们的打印头,细丝和软件相结合,根据负载盒放置连续纤维,含有50%的碳纤维体积含量 - 不是30%,这是CFRP 3D打印中的标准,“他补充道。

卡沃利纳解释说,尽管人们对这个产品的兴趣很大,“我们只供应了25家客户。我们限制了这一产品,因为我们意识到,只有一步FDM(熔融沉积建模)过程,不可能实现工业航空航天应用的最终结构部件,而且与当前的技术相比,成本也具有竞争力。”

然而,通过Carbonkit,9T实验室建立了有价值的客户关系。“我们能够了解预期和需要的公司,即使这些部件实际上无法使用Carbonkit生产,”他解释道。“在原地整合确实可能对FDM确实可能,但它需要更多的复杂机器,这是成本持久的。因此,我们制作了一个2步过程,并进行了打印后的合并。“

9T Labs Red系列3D打印机达到50%的纤维体积和1%的空隙

通过红色系列,9T实验室已经实现了3D印刷的CFRP结构,其具有> 50%的纤维体积和1%空隙,以实惠的成本与电流复合材料的生产方法。源| 9T实验室。

红色系列,两步加工

这就把我们带到了9T实验室的今天。“我们正在商业化的红色系列,它包括两个单元:一个经典的FDM打印单元与专利打印头和相邻的融合单元用于后处理,”Cavolina解释说。“我们并没有在打印过程中实现完全原位固化,而是在第二个过程中进行打印和固化。从本质上说,我们正在打印一个预制体,该预制体放置在熔合单元中进行后固结,使用高温和压力实现50%以上的纤维体积含量,而孔隙不到1%。这两步过程以可承受的成本实现了航空航天质量。”

Red系列目前使用的是热塑性材料。“我们用PEI, PEKK, PA(尼龙)打印碳纤维,也有PP的经验,”Cavolina说。红色系列是开放式材料系统吗?他解释说:“要想在成本上具有竞争力,唯一的办法就是利用现有材料,采用新的制造工艺。”“如果你从头开始制作自己的材料,你就无法进行系列生产。为了供应链的安全性和可靠性,系列制造商不会依赖于一个小公司的材料。所以,我们让我们的客户使用他们现有的材料供应,通过确保材料在我们的系统中工作。”他解释说,9T实验室测试材料,以确保原料满足特定的要求,并确定打印的最佳参数。

开放软件怎么样?“我们的打印软件与结构仿真软件相结合,”Cavolina说。“这是一个工程师,在需要需要的情况下放置纤维,但你怎能确信这确实应该放置在哪里?我们的软件使自由设计,然后通过结构模拟交叉检查。另一个方向是在结构模拟中定义面向纤维的汇总,然后将其转换为软件中的打印路径。我们对在背景中运行的FEA使用现有,经过良好的伴奏合作伙伴。你也可以直接用CAD设计一个零件,然后把这个文件上传到我们的程序中。在那里,你可以决定哪里需要碳纤维,哪里需要整齐的聚合物。”

9T实验室打印连续CFRP摇臂和支架

这种CFRP支架和摇臂适用于非航空航天应用,实际上满足了航空航天层叠板的要求,具有40多个层——每层都有不同的纤维取向,以利用各向异性,优化以前不可能实现的结构部件。源| 9T实验室。

应用程序

9T实验室目前正在研究航空航天(内饰)、生物医学和工业自动化(如包装机器)以及休闲/奢侈品(如赛车、运动鞋、眼镜)。最后一个市场,Cavolina说,“在那里你需要有结构复合材料,但要求不像在航空航天中那么严格。”他引用了上面所示的摇臂。他解释说:“这是一个非航空航天结构的支架,它代表了一种结构应用,你可以使用我们的技术以优化的方式生产。”“它来自一个铝制部件,经过拓扑优化,通过根据负载情况定向碳纤维来减轻重量。你可以节省成本,因为与其他复合材料工艺相比,你可以减少使用碳纤维的数量。你不能用其他方法来实现,因为用其他方法是不可能在高分辨率下定位每一根光纤的。”

四种不同的纤维铺层通过3D打印CFRP支架交替

四种不同的连续碳纤维铺层在CFRP支架的整个厚度上交替使用9T Labs红色系列。源| 9T实验室。

Cavolina指出,这款摇臂由40多层纤维和聚合物组成,“每一层都可以有不同的纤维取向。我们尝试了四种不同的上篮,不局限于准各向同性。这种自由度允许我们利用复合材料的各向异性进一步优化最终使用结构。目前的其他制造方法不可能做到这一点。”

他还指出,与手工铺层相比,3D打印CFRP是一个自动化过程。Cavolina说:“我们的技术通过自动铺层,大大减少了人工劳动。“有了我们的技术,你只需打印、合并,就完事了。”

9T Labs工业用红色系列连续纤维复合材料3D打印机

红色系列打印更小,复杂的单片CFRP预制件,然后在第二步中合并,以便可扩展的工业系列生产。源| 9T实验室。

红色系列打印尺寸,速度和全发射

红色系列的目标是在350毫米× 300毫米的印刷区域内进行系列制造的更小的单片部件。卡佛利纳解释说:“目前我们为客户看到了最高的附加值。”

打印速度怎么样?Cavolina表示:“我们正在以一种非常具体的方式讨论,在未来1-2年内,为不同的客户每年生产4000到8000个零部件,这就是Red系列的双单元。”“由于我们已经将复杂、详细的预制件的生产与整合分离开来,现在可以快速提高产量。”

“我们花了很多时间分析了我们工艺的成本结构,包括设备,劳动和物质成本,”他回应。“我们拥有实惠的设备成本结构,并拥有自动化的过程。我们使用最实惠和最有效的材料,然后通过根据负载壳体定向纤维并使用结构优化来减少所需的材料量。我们与我们的合作伙伴在结构和流程模拟中密切合作,并认为它将继续成为使用数字双胞型技术的生产目标的大部分,以便使用4.0生产线和细胞的即插即用。“

红色系列将于2020年推出。“现在,我们正在通过我们的合作伙伴的合作计划评估它。我们使用它们认证零件和流程,因此它们为红色系列机器保留了第一个插槽,并将使用这些用于制造其最终用品。“

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