Vermarktung von UV-härtbaren Duroplasten für den Endlosfaser-3D-Druck

Die CF3D-Technologie verwendet schnellhärtende duroplastische Materialien, um hohe Kosten, lange Vorlaufzeiten und Designbeschränkungen zu reduzieren. Bildnachweis:Kontinuierliche Verbundwerkstoffe

Im September 2020 gab der Spezialist für Endlosfaser-3D-Druck Continuous Composites (Coeur d'Alene, Idaho, USA) eine strategische Partnerschaft mit dem Spezialwerkstoffunternehmen Arkema (Colombes, Frankreich) über seinen Geschäftsbereich Sartomer bekannt, um das patentierte Continuous Fiber 3D . von Continuous Composites zu kombinieren (CF3D)-Drucktechnologie mit den photohärtbaren N3xtDimension-Harzlösungen von Arkema. Die Kombination wird voraussichtlich zur Entwicklung, Zertifizierung und Kommerzialisierung einer Bibliothek fortschrittlicher Materiallösungen führen, die den Anforderungen einer Vielzahl von Anwendungen und Branchen gerecht werden.

Diese formelle Partnerschaft ist aus einer Beziehung hervorgegangen, die erstmals 2015 begann, als Dr. Sumeet Jain, Senior Director of 3D Printing bei Arkema Worldwide, auf Continuous Composites aufmerksam wurde und eine Chance im Druckprozess sah, den das Unternehmen entwickelte. Laut Tyler Alvarado, CEO von Continuous Composites, war die Partnerschaft selbstverständlich:„Er [Jain] sah die Möglichkeit, photohärtbare Duroplaste weiterzuentwickeln, und wir sahen, dass er jahrzehntelange Erfahrung mit den von uns verwendeten Polymeren hatte.“

Bis 2019 hatten die Unternehmen eine gemeinsame Entwicklungsvereinbarung, und Anfang 2020 ging Arkema eine Beteiligung an Continuous Composites ein, wobei die strategische Partnerschaft im September bekannt gegeben wurde. „Wir freuen uns sehr über die Partnerschaft und die Ergebnisse, die beide Teams erzielen konnten. Es ist eines dieser Dinge, bei denen eins plus eins drei ergibt und ihre Erfahrung nicht nur im Bereich Verbundwerkstoffe, sondern auch in lichthärtenden Duroplasten wirklich nutzt“, sagt Alvarado.

Überbrückung von photohärtbaren Harzen mit Endlosfaser-3D-Druck

Heute umfasst das Segment Advanced Materials von Arkema Zweige, die viele Materialien umfassen, darunter Duroplaste und Thermoplaste, und innerhalb von Verbundwerkstoffen viele Prozesse und Anwendungen, einschließlich 3D-Druck sowie traditionellere Herstellungsverfahren. Der Geschäftsbereich Sartomer konzentriert sich auf spezielle Acrylate und Methacrylate für eine Reihe von Märkten und bietet seit Jahrzehnten UV-härtbare Materialien in Form von Beschichtungen, Klebstoffen und 3D-Druckfilamenten an, so Jeffrey Klang, Sartomer R&D Director für das globale 3D Druckteam.

Als Ergänzung zu seinem CF3D-Drucksystem, einem Out-of-Autoclave (OOA), einer skalierbaren 3D-Drucktechnologie, die auf der Verwendung von Snap-Cure-Harzen und Endlosfasern basiert (lesen Sie hier eine ausführlichere Beschreibung:„3D-Druckverbundwerkstoffe mit Endlosfasern .). “), benötigte Continuous Composites einen Katalog von Harzen, der die mechanischen Hochleistungsanforderungen von Kunden in Branchen von der Luft- und Raumfahrt über die Energie bis hin zur Verteidigung erfüllt. „Unser Geschäftsmodell besteht darin, Maschinen und die entsprechende Software und Harze bereitzustellen, damit diese Kunden alle Komponenten herstellen können, die sie in ihrer spezifischen Industrieanwendung suchen“, sagt Alvarado.

Dieser Bedarf an hohen mechanischen Eigenschaften wie Glasübergangstemperaturen (T_g ) und Feuer, Rauch und Toxizität (FST) führten zu einem Fokus auf duroplastische Harze, obwohl Alvarado anmerkt, dass die CF3D-Technologie auch Thermoplaste verwenden kann. „Unsere Kernkompetenz besteht darin, dass wir eine trockene Endlosfaser nehmen und diese dann mit einem schnellhärtenden – in diesem Fall UV-härtbaren – Harz imprägnieren“, sagt er. „Wir konzentrieren uns wirklich auf diesen druckhärtenden Duroplast-Ansatz, der es der Verbundstruktur ermöglicht, direkt dort in Freiform Gestalt anzunehmen, wodurch wir die anisotropen Eigenschaften der Endlosfaser nutzen und diese komplexen organischen Geometrien erstellen können, die extrem leicht und sehr stark. Wir können ein sehr hochwertiges Verbundlaminat mit sehr hohem Faseranteil und geringer Porosität herstellen.“

Die Flüssigharze N3xtDimension von Sartomer, die Teil von Arkemas neu eingeführter 3D Printing Solutions by Arkema-Plattform sind, erwiesen sich in Kombination mit Strukturfasern von Kohlenstoff- und Glasfasern bis hin zu Dyneema und Aramiden als ideale Ergänzung, und die Unternehmen arbeiten nun an der Entwicklung einer Bibliothek von UV -härtbare Harze, die eine Reihe von Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften erfüllen.

Zusätzlich zu den mechanischen Eigenschaften der Harze ermöglicht der Wegfall der Wärmehärtung der Endteile zwei der innovativsten Eigenschaften von CF3D:hohe Druckgeschwindigkeiten und die Möglichkeit, im Freien ohne Unterstützung zu drucken. „Normalerweise benötigt man beim Verlegen eines Verbundwerkstoffs Werkzeuge/Formen, um das Auflegen zu unterstützen“, sagt Alvarado, „aber da wir schnapphärtende Duroplaste verwenden, die durch ein Strukturfilament verstärkt sind, haben wir 'sind in der Lage, dieses Material zu härten und es kann ohne dieses Trägermaterial seine Form annehmen.“ Dadurch entfallen die Kosten und die Vorlaufzeit, die mit der Beschaffung von Formen und Werkzeugen verbunden sind, und beseitigt die Konstruktionszwänge, die für die Konstruktion von Werkzeugen erforderlich sind. „Jetzt können Sie diese Fasern in viele Richtungen lenken … Die Möglichkeit, stützenfrei zu drucken, ermöglicht wirklich einzigartige Überhanggeometrien, große Lücken zu überbrücken“, sagt er.

Darüber hinaus ist CF3D „eine sehr stabile Maschine … und druckt deutlich schneller als herkömmliche thermoplastische Maschinen“, sagt Alvarado. Diese Geschwindigkeiten werden ermöglicht durch die Eliminierung von Problemen wie Temperaturgradienten innerhalb des Laminats und Verzug (aufgrund der Verwendung von Duroplasten gegenüber Thermoplasten) und dass das System nicht durch einen Heizprozess eingeschränkt ist (aufgrund der Verwendung von UV Lichthärtung).

Es gibt zwei Variablen für die Druckgeschwindigkeit, fügt er hinzu:Materialhärtung und Druckgenauigkeit. „Das Problem sind nicht die Harze; sie heilen mit der Zeit. Die Maschine ist der Flaschenhals“, sagt er und stellt fest, dass Roboter als Bewegungsplattform ursprünglich für wiederholte Pick-and-Place-Bewegungen von Punkt A zu Punkt B konzipiert wurden, jedoch nicht unbedingt für die Genauigkeit des 3D-Drucks. „Unser Team hat tatsächlich unsere eigene Integration einer CNC-Steuerung als zugrunde liegende Steuerung der Bewegungsplattform für unser 3D-Drucksystem entwickelt, damit wir Punkte genau und wiederholt durchfahren können, wodurch wir die Geschwindigkeit, mit der wir drucken, drastisch erhöhen können jetzt“, sagt er. Mit der CNC-Steuerung plant Continuous Composites im Laufe des nächsten Jahres, die Druckgeschwindigkeit des Systems auf das Dreifache zu erhöhen.

Wie bei jeder Innovation gab es laut Klang von Sartomer jedoch Herausforderungen im Zusammenhang mit der Übertragung der UV-härtbaren Harztechnologie von Sartomer auf leistungsstärkere und strukturelle Anwendungen. Ein Schwerpunkt war beispielsweise die Erhöhung der Temperaturbeständigkeit. „Wir haben fast 230 °C“, bemerkt er, „was uns wirklich in einige sehr interessante neue Arten von Anwendungen bringt.“

Jain von Arkema fügt hinzu:„Mit dieser Partnerschaft arbeiten wir von Grund auf daran, die Art und Weise, wie Verbundwerkstoffe hergestellt werden, zu verändern. Dies ist nicht trivial. Wir arbeiten bereits seit vier Jahren zusammen und fangen gerade erst an.“