Korkean suorituskyvyn polymeerien ja komposiittien tulostustekniikat - Osa II: Komposiittipohjainen additiivinen valmistusmenetelmä

Merve Canalp, tutkija AMEXCI:ssä.

Composite Workshops 2021 -hankkeen aikana järjestettiin vuoden 2021 neljännen vuosineljänneksen aikana neljä virtuaalista työpajaa, joihin osallistui korkean suorituskyvyn polymeerejä ja komposiitteja valmistavia AM-yrityksiä. Materiaalin pääpaino oli komposiitti-AM-teknologioissa, mukaan lukien robottimateriaalin ekstruusio (Ai Build), komposiittipohjainen additiivinen valmistus (Impossible Objects ja Ricoh), kuitujen sijoitteluun perustuva additiivinen valmistus (9T Labs) ja komposiittitermoplastisten materiaalien ekstruusio (Roboze).

Artikkelisarjan avulla haluamme esitellä joitakin merkittävimpiä AM-yrityksiä ja niiden teknologioita, jotka osallistuivat Composite Workshops 2021 -tapahtumaan. Ja tässä toisessa osassa esittelemme Impossible Objectsin ja Composite-Based Additive Manufacturingin (CBAM).

Osa II: Komposiittipohjainen additiivinen valmistus Impossible Objects ja Ricoh esittelevät.     

Mahdottomat esineet & Ricoh: Impossible Objectsin (IO) kehittämä komposiittipohjainen additiivinen valmistus (CBAM) on eräänlainen jatkuvan kuitulevyn laminointiprosessi, joka mahdollistaa kuitulevyn, esim. hiili- tai lasivahvisteisten osien tulostamisen, jotka on kiinnitetty yhteen kestomuovisella polymeerimatriisilla, kuten polyeetterieteriketonilla (PEEK) tai polyamidilla (PA12, Nylon).

CBAM-tekniikan etuja ovat mittasuhteiltaan stabiilien ja hienoja yksityiskohtia sisältävien osien tulostaminen ja erinomainen lujuus-painosuhde. Keväästä 2021 alkaen IO toimittaa osia Ricoh UK:lle EU:n alueella sijaitseville asiakkaille. [1] [2]

CBAM-teknologiaa lähemmin

CBAM-tulostimen kokonaisrakennekoko on 30,5 cm x 30,5 cm x 10,2* cm (*korkeampi korkeus voi olla mahdollinen räätälöityjä sovelluksia varten). CBAM-tulostuksessa on useita vaiheita lopullisen osan toteuttamiseksi, kuten kuvassa 2 on esitetty.

Tulostusprosessi (vaihe 1): Kun arkki on syötetty mustesuihkutulostimeen, arkille syötetään sideainetta CAD-suunnittelun mukaisesti, minkä jälkeen päälle levitetään valittu termoplastinen polymeerijauhe, joka tarttuu sideaineella liotettuun alueeseen. Ylimääräinen polymeerijauhe poistetaan tyhjiöllä. Vain sideaineen päälle tarttunut jauhe jää kuitulevylle. Prosessi toistetaan jokaisen kerroksen luomiseksi, ja lopuksi kaikki kerrokset pinotaan päällekkäin, jotta 2D-levyistä saadaan 3D-osa.

Kuumenna ja paina (vaihe 2): Kun kaikki kerrokset on tulostettu, pinotut levyt asetetaan paineuuniin, jossa polymeerijauhe sulaa, kun kerrokset tarttuvat yhteen puristuksessa.

Materiaalin poisto (vaihe 3): Lopuksi tulostustyön kasaamattomat osat poistetaan puhalluksen avulla, jolloin lopullinen osa paljastuu.

Mitä eri CBAM-materiaalit ovat?

Lämpömuoveilla on erilaisia ominaisuuksia, ja ne jaetaan kolmeen pääryhmään: korkean suorituskyvyn polymeerit, tekniset polymeerit ja peruspolymeerit, kuten kuvassa 3 esitetään. Korkean suorituskyvyn polymeerejä suositaan tavanomaisia polymeerejä enemmän sovelluksissa, joissa vaaditaan korkeaa lämpötilankestävyyttä ja erinomaista mekaanista suorituskykyä.

Tällä hetkellä CBAM käyttää matriisimateriaalina kahta eri polymeeriä:

• Polyamidi(PA12, Nylon): Puolikiteinen tekninen polymeeri (Tg₌ 35-45 °C, Tm₌ 175-180 °C).
• Polyeetteriketoni (PEEK): Puolikiteinen korkean suorituskyvyn polymeeri (Tg₌ 140-145 °C, Tm₌ 340-345 °C).

Korkean suorituskyvyn polymeerien perheeseen kuuluvan PEEK:n korkeamman lämpötilakestävyysrajan lisäksi sillä on myös paremmat mekaaniset ominaisuudet kuin PA12:lla.

CBAM-tekniikassa käytetään kahta kuituvahvistusmateriaalia:

• Lasikuitu(GF, lasikuitu)
• Hiilikuitu(CF)

CBAM:ssä kuituvahvisteen ominaisuudet vaihtelevat valitun kuitutyypin mukaan. Esimerkiksi halvemman GF-kuidun vetolujuus on pienempi, mutta se on sitkeämpi kuin CF-kuitu.

CBAM-kuitukangaskomposiittiverhot ja -matot koostuvat tyypillisesti 12,5-25 mm:n pituisista, satunnaisesti suunnatuista kuiduista (kuva 4). Kuitulevy ja polymeerijauhe on sidottu yhteen orgaanisella polymeerisideaineella. Lopullinen CBAM-osa sisältää runsaasti kuitua (jopa 80 %). Verrattuna muihin AM-tekniikoihin ja raaka-aineisiin tämä suuri kuituvahvisteiden määrä antaa lopputuotteille paremmat mekaaniset ominaisuudet (kuva 5). Toisaalta materiaalin ekstruusiossa käytettävien filamenttien kuidun pituus on alle 1 mm. Jauhepohjaisissa tekniikoissa, esimerkiksi SLS:ssä, komposiittijauhe sisältää kuituhiukkasia, jotka on mitattu mikrometreinä tai nanoputkina.

CBAM:n tulostamat komposiittiosat

Impossible Objects on kehittänyt uusia ratkaisuja komposiittimateriaalien tulostamiseen yhteistyössä Ricoh Japanin, Owens Corningin[3], Tigerin[4] ja BASFin[5] kanssa. Tällä hetkellä saatavilla on neljä erilaista komposiittitermoplastista materiaalia pienten ja keskisuurten tuotantomäärien koteloiden tulostamiseen.

• Hiilikuituinen nailon (CF-PA12)[6]
• Lasikuitu Nylon (GF-PA12)
• Hiilikuitu-PEEK (CF-PEEK)[7]
• Lasikuitu PEEK (GF-PEEK)

Tällaisten komposiittien käyttökohteet ovat varsin laajoja, työkaluista sähkökomponentteihin eri teollisuudenaloilla, kuten ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, autoteollisuudessa ja energia-alalla. Tuotevaatimuksista ja kustannuksista[8] riippuen CBAM-materiaalivalikoimasta voidaan valita sopiva matriisin ja kuituvahvisteen yhdistelmä.

Tämän työpajan aikana sekä Impossible Objects että Ricoh UK esittelivät ja kertoivat yksityiskohtia tästä kehittyvästä AM-teknologiasta ja AM-komposiittimateriaaleista. Tämän virtuaalisen työpajan avulla meillä oli mahdollisuus oppia lisää seuraavista asioista:

All in all, we had the chance to witness closely that in some cases CBAM can offer a fast way to produce functional, high quality and performance parts. Since the process involves stacking of fiber sheets and polymer powder with the help of a binder, flat parts low in height (< 6-8 mm) would benefit from this AM technology the best when it comes to achieving better accuracy in dimensionality. Printing of such flat parts with CBAM will be also cost and time efficient. As Amexci, we aim at following new developments on CBAM technology and materials together with IO and Ricoh UK.

Tämän artikkelisarjan seuraavassa osassa sukellamme syvälle kuitujen sijoitteluun perustuvaan additiiviseen valmistukseen ja 9T Labsin esittelemään työpajaan ja teemme yhteenvedon vuonna 2021 pidetyn työpajan keskeisistä huomioista.

[1] https://www.compositesworld.com/news/impossible-objects-ricoh-3d-partner-to-produce-high-strength-3d-printed-composite-parts-

[2] https://www.fabbaloo.com/news/ricoh-3d-brings-impossible-objects-cbam-to-europe

[3] https://3dprintingindustry.com/news/impossible-objects-and-owens-corning-set-to-develop-fiberglass-composites-for-3d-printing-190430/

[4] https://3dprint.com/261078/tiger-impossible-objects-creating-thermoset-based-composites/

[5] https://3dprintingindustry.com/news/impossible-objects-unveils-new-cbam-2-3d-printer-partnership-with-basf-and-4-1-million-funding-156043/

[6] Carbon PA12:n tekniset tiedot löytyvät täältä: https://rapidfab.ricoh-europe.com/wp-content/uploads/2021/03/Ricoh-TDS-CF-PA12-FINAL-WEB.pdf.

[7] Hiili-PEEK:n tekniset tiedot löytyvät täältä: https://rapidfab.ricoh-europe.com/wp-content/uploads/2021/03/Ricoh-TDS-CF-PEEK-FINAL-WEB.pdf.

[8] Katso tiedot hinnoittelusta Ricoh UK:n verkkosivuilta: https://rapidfab.ricoh-europe.com/3d-materials/impossible-objects-and-ricoh-3d-sales-samples/.

Tutustu AMEXCI:n tutkimukseen

Tietoja Merve Canalpista

Merve Canalp työskentelee tutkijana AMEXCI:ssä, ja hänen asiantuntemuksensa on polymeerimateriaalien alalla. Hänen päivittäisiin tehtäviinsä kuuluu polymeerien AM-sovellusten tutkiminen ja yritysten T&K-hankkeiden hallinnointi.

Jos haluat lisätietoja tai jos haluat keskustella polymeeri AM:stä, ota yhteyttä Merveen osoitteessa: merve.canalp@amexci.com.