Kommerzielles Potenzial UV-härtbarer Thermoplaste im Continuous-Faser-3D-Druck erschließen

CF3D-Technologie nutzt schnurlhärtende Thermoplaste, um hohe Kosten, lange Lieferzeiten und Designbeschränkungen zu reduzieren.

Im September 2020 kündigte der Continuous-Faser-3D-Druck-Spezialist Continuous Composites (Coeur d'Alene, Idaho, USA) eine strategische Partnerschaft mit dem Spezialmaterialunternehmen Arkema (Colombes, Frankreich) über dessen Sartomer-Geschäftsbereich an, um die patentierte Continuous Fiber 3D (CF3D) Drucktechnologie von Continuous Composites mit Arkemas fotohärtbaren N3xtDimension Harzlösungen zu kombinieren. Die Kombination soll die Entwicklung, Zertifizierung und Kommerzialisierung einer Bibliothek fortschrittlicher Materiallösungen für eine Vielzahl von Anwendungen und Branchen ermöglichen.

Entstehung der Partnerschaft

Diese formelle Partnerschaft wuchs aus einer Beziehung, die 2015 begann, als Dr. Sumeet Jain, Senior Director 3D Printing bei Arkema Worldwide, Continuous Composites kennenlernte und eine Chance im Druckprozess sah, den das Unternehmen entwickelte. Laut Tyler Alvarado, CEO von Continuous Composites, war die Partnerschaft natürlich: "Er [Jain] sah die Chance, fotohärtbare Thermoplastharze voranzubringen, und wir sahen, dass er jahrzehntelange Erfahrung mit den Polymeren hatte, die wir nutzten."

Bis 2019 hatten die Unternehmen eine gemeinsame Entwicklungsvereinbarung, und Anfang 2020 erwarb Arkema eine Beteiligung an Continuous Composites, wobei die strategische Partnerschaft im September bekannt gegeben wurde. "Wir sind extrem begeistert von der Partnerschaft und den Ergebnissen, die beide Teams erzielt haben. Es ist einer dieser Fälle, wo eins plus eins drei ergibt – wirklich die Erfahrung nicht nur im Kompositbereich, sondern auch in fotohärtbaren Thermoplasten nutzend", sagt Alvarado.

Brücke zwischen fotohärtbaren Harzen und Continuous-Faser-3D-Druck

Heute hat Arkemas Advanced Materials Segment Zweige, die viele Materialien umfassen, einschließlich Thermoplaste und Thermoplaste, und im Kompositbereich viele Prozesse und Anwendungen, einschließlich 3D-Druck sowie traditionellere Fertigungsprozesse. Der Sartomer-Geschäftsbereich fokussiert sich auf Spezialacrylate und Methacrylate für verschiedene Märkte und liefert seit Jahrzehnten UV-härtbare Materialien in Form von Beschichtungen, Klebstoffen und 3D-Druckfilamenten, so Jeffrey Klang, Sartomer R&D Director für das globale 3D-Druck-Team.

Um sein CF3D-Drucksystem zu ergänzen – eine Out-of-Autoclave (OOA), skalierbare 3D-Drucktechnologie basierend auf Schnurlhärtungsharzen und Endlosfasern –, benötigte Continuous Composites einen Harzkatalog, der den hohen mechanischen Anforderungen von Kunden in Branchen von Luftfahrt über Energie bis Verteidigung gerecht wird. "Unser Geschäftsmodell ist es, Maschinen und deren entsprechende Software und Harze bereitzustellen, um diese Kunden in die Lage zu versetzen, jedes Bauteil für ihre spezifische Industrieanwendung herzustellen", sagt Alvarado.

Dieser Bedarf an hohen mechanischen Eigenschaften wie Glasübergangstemperaturen (Tg) und Fire, Smoke and Toxicity (FST) führte zu einem Fokus auf Thermoplastharze, wobei Alvarado anmerkt, dass CF3D-Technologie auch Thermoplaste nutzen kann. "Unsere Kernkompetenz ist, dass wir eine trockene Endlosfaser nehmen und diese mit einem schnurlhärtenden – in diesem Fall UV-härtbaren – Harz imprägnieren. Wir fokussieren uns wirklich auf diesen schnurlhärtenden Thermoplastharz-Ansatz, der es der Kompositstruktur ermöglicht, direkt dort im Freiformverfahren Form anzunehmen, was uns erlaubt, die anisotropen Eigenschaften der Endlosfaser zu nutzen und diese komplexen organischen Geometrien zu schaffen, die extrem leicht und sehr fest sind. Wir können ein sehr hochwertiges Kompositlaminat mit sehr hohem Faseranteil und geringer Porosität produzieren."

Sartomers N3xtDimension Flüssigharze, Teil von Arkemas neu gestarteter 3D Printing Solutions by Arkema Plattform, in Kombination mit Strukturfasern von Carbon- und Glasfaser bis Dyneema und Aramiden, erwiesen sich als ideale Ergänzung, und die Unternehmen arbeiten nun an der Entwicklung einer Bibliothek UV-härtbarer Harze, die eine Reihe mechanischer Eigenschaftsanforderungen erfüllen.

Neben den mechanischen Eigenschaften der Harze ermöglicht der Wegfall der Wärmenachhärtung bei Endteilen zwei der innovativsten CF3D-Merkmale: hohe Druckgeschwindigkeiten und die Fähigkeit, ungestützt in freier Luft zu drucken. "Normalerweise braucht man beim Laminieren Werkzeuge/Foremen, um den Lagenaufbau zu stützen", sagt Alvarado, "aber weil wir schnurlhärtende Thermoplaste verwenden, die durch ein Strukturfaden verstärkt sind, können wir das Material aushärten lassen und es kann seine Form ohne Stützmaterial annehmen." Dies eliminiert Kosten und Lieferzeiten für Formen und Werkzeuge und entfernt die Designbeschränkung, um Werkzeuge herum designen zu müssen. "Jetzt kann man diese Fasern in viele Richtungen steuern... Die Fähigkeit, ungestützt zu drucken, ermöglicht wirklich einzigartige Überhanggeometrien, die große Lücken überbrücken können."

Zudem ist CF3D "eine sehr stabile Maschine und druckt deutlich schneller als traditionelle Thermoplastmaschinen", so Alvarado. Diese Geschwindigkeiten werden durch die Eliminierung von Problemen wie dem Management von Temperaturgradienten im Laminat und Verzug (durch Einsatz von Thermoplasten statt Thermoplasten) sowie durch die Nicht-Begrenzung durch einen Heizprozess (durch UV-Lichthärtung) ermöglicht.

Es gibt zwei Variablen für die Druckgeschwindigkeit, fügt er hinzu: Materialhärtung und Druckgenauigkeit. "Das Problem sind nicht die Harze; sie härten in der Zeit. Die Maschine ist der Flaschenhals", sagt er und merkt an, dass Roboter als Bewegungsplattform ursprünglich für wiederholte Punkt-zu-Punkt Pick-and-Place-Bewegungen konzipiert waren, nicht unbedingt für die Genauigkeit im 3D-Druck. "Unser Team hat tatsächlich eine eigene Integration eines CNC-Controllers als zugrundeliegende Bewegungsplattform-Steuerung für unser 3D-Drucksystem entwickelt, damit wir Punkte präzise und wiederholt anfahren können, was es uns erlaubt, die Druckgeschwindigkeit drastisch zu erhöhen." Mit dem CNC-Controller plant Continuous Composites, die Druckgeschwindigkeit im nächsten Jahr um das Dreifache zu steigern.

Wie bei jeder Innovation gab es Herausforderungen beim Transfer von Sartomers UV-härtbarer Harztechnologie in höhere Performance- und Strukturapplikationen, so Sartomers Klang. Ein Fokusbereich war die Erhöhung der Temperaturbeständigkeit. "Wir sind bei nahe 230 °C", merkt er an, "was uns in einige sehr interessante neue Applikationstypen bringt."

"Mit dieser Partnerschaft arbeiten wir von Grund auf, um die Art und Weise zu ändern, wie Komposite hergestellt werden. Das ist nicht trivial. Wir arbeiten schon vier Jahre zusammen und fangen gerade erst an.", fügt Arkemas Jain hinzu.