Pionierarbeit bei anisotroper Composite-3D-Druck für fortschrittliche additive Fertigung

Gegründet 2014 von CEO Fedor Antonov, ist Anisoprint (Esch-sur-Alzette, Luxemburg) eines der wachsenden Anzahl von Technologieunternehmen, die den 3D-Druck von Composites mit kontinuierlicher Faser vorantreiben. Es bevorzugt jedoch, als Pionier bekannt zu sein, der additive Fertigung (AM) weg von Metallen hin zu Composites bewegt.

„Die richtungsabhängigen Eigenschaften von Composites sind ein Vorteil, kein Nachteil“, sagt Antonov. „Unidirektionale Carbonfaser-Composites sind stärker und leichter als Metalle. Konventionelle Fertigung und metallbasierte AM betrachten die gerichtete Anisotropie von Composites als Nachteil, der gemildert werden muss. Aber Anisoprints Ansatz nutzt diese Anisotropie, indem er Fasern entlang der strukturellen Lasten ausrichtet und platziert, was das Teilegewicht erheblich reduziert, während hohe Festigkeit und Steifigkeit beibehalten werden.“

Ermöglichung effizienterer Composites

Antonov weist darauf hin, dass die konventionelle Composite-Fertigung typischerweise Praktiken aus der Metallindustrie verwendet, einschließlich quasi-isotroper Laminate, Bohren von Löchern und mechanischen Befestigungselementen. „Diese neutralisieren die Gewichts- und Leistungsvorteile von Composites“, sagt Antonov. „Anisoprinting-Technologie bietet eine viel schnellere und flexiblere, automatisierte Methode für die Produktion.“ Sie bietet auch einen Weg, die effizienteren Strukturen zu erreichen, die jetzt von Topologieoptimierung und generativem Design Software ausgegeben werden.

„Natur's effizienteste Strukturen, wie Bäume und Knochen, nutzen gerichtete Eigenschaften, indem sie lasttragendes Material hauptsächlich entlang der Lastpfade ausrichten“, behauptet Antonov. Diese Arten von topologieoptimierten Strukturen sind jedoch schwer herzustellen. Beispielsweise sind Gitterstrukturen, die starke und leichte Payload-Fairing-Adapter für Raumfahrzeuge ermöglicht haben, typischerweise mit Filamentwickeln hergestellt. Eine topologieoptimierte Version, die eine zusätzliche 30 % Gewichtsersparnis bietet, lässt sich jedoch nicht mehr einfach mit konventionellen Composite-Prozessen oder mit jüngeren automatisierten Faserablageverfahren (AFP) herstellen.

„Konventionelle anisogitter Filament-gewickelte Strukturen werden durch Rillen im Werkzeug erreicht, und der relativ niedrige Fasergehalt in den Rippen ermöglicht deren Überschneidung“, sagt Antonov. „Diese Art von anisogitter Strukturen war unser ursprüngliches Ziel. Aber das funktioniert nicht mit AFP, weil Ihr Fasergehalt immer konstant ist und sich Rippen ohne Schneiden der Fasern oder lokale Dickenvariationen nicht schneiden lassen.“

(Hinweis: Für weitere Studien siehe https://www.researchgate.net/publication/321081593_Anisogrid_Payload_Adaptor_Structure_for_Vega_Launcher)

Fasersteuerung

Fasersteuerung ist eine Technik, die derzeit in der Composite-Produktion mit AFP angewendet wird und es ermöglicht, Fasern in kurvilinearen Pfaden abzulegen – AFP hat traditionell gerade lineare Pfade verwendet. Fasersteuerung erlaubt es, den Faserpfad und damit die mechanische Reaktion des Composite-Panels zu optimieren, um eine höhere Leistung als mit konventionellen Laminaten zu erzielen. In einem Beispiel erzeugt dieser Ansatz ein Composite-Substrat-Panel für ein Raumfahrzeug-Solararray, das eine um 44 % höhere erste Eigenfrequenz (minimiert Vibrationsamplitude und ermöglicht schnelleres Dämpfen) aufweist als ein äquivalentes konventionelles Panel mit geraden Faserpfaden und gleicher Masse. Alternativ könnte ein leichteres Panel für die gleiche Frequenzleistung erreicht werden.

Fasersteuerung ermöglicht das Design und die Fertigung von Teilen wie Strukturpaneelen für Satelliten oder Hochgeschwindigkeitsmaschinenkomponenten mit sehr hoher Leistung. Es ist ein reproduzierbarer Prozess, der hohe und konsistente Qualität erreicht und innovative neue Designs ermöglicht. Er kann auch verwendet werden, um Gewicht bei gleichem geometrischen Design zu reduzieren. QUELLE | „Fibre-Steering technology for advanced composite panels“ (Original-Link hier angegeben, aber nicht mehr über esa-tec Server verfügbar: https://www.esa-tec.eu/space-technologies/from-space/fibre-steering-technology-for-advanced-composite-panels/)

„Anisoprinting ist eine Kombination aus Gitterstrukturen und Fasersteuerung, die verwendet wird, um topologieoptimierte Teile zu erreichen“, sagt Antonov. „Dies ist eine Schlüsseltechnologie für gedruckte Composites. Zum Beispiel: Wie baut man ein Rumpfpanel für ein Verkehrsflugzeug, das Ausschnitte oder Löcher hat?

Er nennt drei verschiedene Techniken, die verwendet werden, um Composite-Proben gleicher Dicke und Gewicht herzustellen, jeweils mit CNC-gefrästen Löchern (siehe Tabelle unten). Er merkt an, dass bei Drucktests die mit Fasersteuerung hergestellte Probe eine ultimative Drucklast aufweist, die doppelt so hoch ist wie die eines quasi-isotropen Composites („schwarzes Aluminium“) und 30 % höher als die eines konstanten Steifigkeits-UD-Laminats. „Damit ist Fasersteuerung ein mächtiges Werkzeug“, sagt Antonov. „Anisoprinting wird sich in Richtung AFP-Fasersteuerung bewegen, wenn wir Fasergehalt und Produktivität erhöhen, und AFP wird sich mit mehr Flexibilität in unsere Richtung bewegen.“

Die „Flexibilität“, auf die Antonov sich bezieht, ist ein Maß dafür, wie weit es möglich ist, eine Faser entlang eines beliebigen Pfads im dreidimensionalen Raum zu platzieren. Arevo, ein weiteres Unternehmen, das kontinuierlichen Faser-3D-Druck kommerzialisiert, behauptet, diese Art von Flexibilität zu haben. „Arevos Technologie unterscheidet sich nicht sehr von AFP-Unternehmen wie Coriolis, Automated Dynamics, Electroimpact usw.“, sagt Antonov. „Sie haben es lediglich miniaturisiert und verwenden statt eines dünnen, breiten Bands ein dickes, schmales mit einem Laser-AFP-Kopf. Im Grunde ist es alles dasselbe.“ Beachten Sie, dass Arevos 3D-Drucktechnologie von Anfang an roboterbasiert war. Wie wird sich Anisoprints Technologie ändern, wenn sie auf robotische Plattformen umsteigt?

Beispiel eines Anisoprint 3D-gedruckten Composite-Probens mit Fasersteuerung.

Anisoprints Geschichte und TS-TP-Ansatz

Antonov und seine Mitgründer (Andrey Azarov, Alexey Khaziev, Mikhail Golubev und Zafer Gürdal) waren an einer neuen Universität im westlichen Teil von Moskau namens Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech), die 2011 gegründet wurde. 2014 arbeitete Antonov am Aufbau von Skoltechs neuem Zentrum für Composite-Technologie und begann mit der Entwicklung von 3D-Druck. Der Direktor des Composite-Zentrums war damals Zafer Gürdal, der 2015 ging und an das McNair Center der University of South Carolina zurückkehrte. Letzteres ist jetzt für seine F&E in Composites und kontinuierlichem Faser-3D-Druck bekannt.

„Wir entschieden uns, von Skoltech auszugliedern, als Zafer Gürdal ging“, erklärt Antonov. „Wir hatten bis zum Sommer 2015 einen Prototyp eines CFC-Druckkopfs entwickelt. Unser nächstes Ziel war die Entwicklung eines Desktop-Druckers.“

Anisoprint führte seinen Composer-Desktop-Drucker 2017 ein. Ähnlich wie Markforged Continuous-Fiber-Drucker verwendet Anisoprints Composer zwei Druckdüsen: eine für die kontinuierliche Faserverstärkung und eine für die Kunststoffmatrix. In einer Glasdruckkammer untergebracht, kann Composers Glasdruckbett auf bis zu 120 °C beheizt werden, was Schrumpfwirkungen minimiert. Derzeit in zwei Größen erhältlich:

• A3 (420 mal 297 mal 210 Millimeter)
• A4 (297 mal 210 mal 147 Millimeter)

Mit einem Standard-Düsendurchmesser von 0,4 Millimetern wird Composers Druckgeschwindigkeit mit 10–80 mm/s unverstärkt und 1–20 mm/s mit kontinuierlicher Faserverstärkung angegeben. Anisoprint kann viele Kunststoffe extrudieren, darunter PLA, PETG, ABS, Nylon und PC. Es kann diese mit seinen Composite-Carbonfaser-Materialien (CCF) verstärken und hat kürzlich ein Composite-Basaltfaser-Druckmaterial (CBF) eingeführt.

Allerdings ist Anisoprint ganz anders als andere kontinuierliche Faser-3D-Drucktechnologien, weil es die kontinuierliche Faserverstärkung zuerst mit einem Thermoset-Polymer imprägniert und diese dann in das geschmolzene Thermoplast-Filament während des Druckens extrudiert. „Dieser Zwei-Matrix-Ansatz gewährleistet geringe Porosität, gute Haftung der Faser am Polymer und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften“, behauptet Antonov.

Er fährt fort: „Der Erfinder des filamentgewickelten Anisogitters für den Proton M Trägerlastadapter, V.V. Vasiliev, der in unserem Beratergremium sitzt, zeigte tatsächlich, dass diese Idee der Verwendung von Dual-Matrix Thermoset-Thermoplast (TS-TP) Materialien Vorteile gegenüber der Verwendung einer einzelnen Thermoset- oder Thermoplast-Matrix hat. Thermoset-Matrixmaterialien haben Probleme mit Sprödigkeit, sodass die Matrix viel früher zu reißen beginnt, als die Faser versagt. Vasiliev bewies, dass er dies mit dem Dual-Matrix-Ansatz mildern konnte.“

Das von Anisoprint verwendete Thermoset ist ein mehrkomponentiges Epoxid, und die endgültigen gedruckten Laminate haben einen Fasergehalt von bis zu 45 %, getestet von der Technischen Universität München (TUM).

Anisoprints patentierte Angebote umfassen:

Composite Fiber Co-extrusion (CFC) Technologie für additive Fertigung mit verschiedenen thermoplastischen Polymeren, verstärkt mit kontinuierlichen Fasern (z. B. Carbon, Basalt), die in einem automatisierten, einstufigen Prozess konsolidiert und ausgehärtet werden, der weder Werkzeuge noch Nachbearbeitung erfordert.

Aura Slicer-Software, die 3D-Modelle für die Fertigung von Teilen mit Composer CFC-Drucker sowie konventionellen FFF-Druckern vorbereitet.

Composer Desktop-3D-Drucker in drei Größen erhältlich (A4, A3, A2).

PROM Familie industrieller Drucksysteme mit Roboter- und Gantry-Optionen, kommerziell ab 2020 verfügbar.

Roboterentwicklung vs. Desktop

„Der Roboter hat einen anderen Druckkopf, weil man den Kopf bewegen muss, um in eingeschränkte Räume während des Druckens zu passen und zu erreichen“, erklärt Antonov. „In einer 2D-Ebene ist das kein Problem. Aber im 3D-Raum muss man Faser dort ablegen, wo bereits Struktur ist. Die ideale Zugänglichkeit wird mit einer Nadel erreicht. Also brauchen wir einen Kompromiss, einen nadelähnlichen Druckkopf.“

Er merkt andere Unterschiede an, wie industrielle Steuerungen. „Die Desktop-Drucker basieren auf Consumer-Elektronik, wie Arduino. Aber für größere, robotische Systeme braucht man industrielle Bewegungssteuerung und Schnittstellen und alle Arten von In-situ-Qualitätssicherung, wie Lasermessung, die Markforged auf ihrer größeren Maschine hat. Man muss auch Heiz-/Kühlsensoren und -steuerungen anpassen.“ Er fügt hinzu, dass all dies Zeit und Ressourcen braucht, und ihre Priorität in den letzten zwei Jahren die Entwicklung der Desktop-Maschine war, aber jetzt arbeiten sie auch an den robotischen Systemen.

Software: Aura

Antonov beschreibt Anisoprints Software als flexibel, die sowohl Anfängern als auch fortgeschrittenen Nutzern ermöglicht. „Die Software ist einfach zu bedienen, aber es ist wichtig, dass F&E-Labore die Druckparameter ändern können“, erklärt er. Tatsächlich gehören zu den Kunden das MFPA Forschungsinstitut (Weimar, Deutschland), Brightlands Materials Center (Geleen, Niederlande) und die Technische Universität München sowie Hersteller wie Schunk Carbon Technology, Airbus und BMW.

Anisoprint hat 3D-gedruckte Composite-Mikrosatellitenteile mit bis zu 45 % Gewichtsreduktion gegenüber Leichtmetallen hergestellt.

Partnerschaften für kontinuierliche Lösungen

Anisoprint, das sich als offene Materialplattform bezeichnet, sucht auch nach weiteren Partnerschaften für neue Druckmaterialien und Teile. Im Juni kündigte es eine Vereinbarung mit dem auf Malta ansässigen Thought3D an, um dessen Magigoo-Klebstoffe zu verwenden. Diese haften die erste Druckschicht am Druckbett und verhindern Teilablösung. „Schlechte Haftung der ersten Schicht ist eines der häufigsten Probleme, das gedruckte Teile ruinieren kann, und nicht unbedingt am Anfang des Builds“, erklärt Antonov. „Das ist besonders wichtig für unser offenes Materialsystem, bei dem der Kunde aus verschiedenen Thermoplasten wählen kann. Jeder erfordert unterschiedliche Druckparameter, weshalb wir mehrere Ersteinstellungsoptionen in unserer Aura-Slicer-Software eingeführt haben. Das ist auch der Grund, warum wir Magigoo-Sticks in jeder Composer-Box beilegen, um sicherzustellen, dass unsere Kunden eine ordnungsgemäße Lösung für gute Erstschichthaftung zur Hand haben.“

Anisoprinting-Anwendungen

Anisoprint sagt, seine Technologie könne in vielen Bereichen angewendet werden, von Luft- und Raumfahrt bis zu Konsumgütern und Gesundheitswesen. Ein Beispiel ist eine Flugzeugsitzhalterung, die 1,5 Tonnen Last trägt bei 40 % Gewichtsreduktion gegenüber Aluminium. Mit 100 solchen Halterungen in einem durchschnittlichen Ein-Gang-Passagierflugzeug kann sich diese Gewichtsreduktion zu erheblichen Einsparungen bei Kraftstoff und gesamten Betriebskosten summieren.

Anisoprint 3D-gedruckte Composite-Flugzeugsitzhalterung erreicht 40 % Gewichtsersparnis gegenüber Aluminium.

Ein weiterer Fall ist ein Kolben für die Formung von Joghurtbechern, verwendet in einer Molkerei-Produktionslinie. Solche Kolben werden typischerweise aus gefrästem Polyamid hergestellt, aber der Austausch solcher Teile bei Beschädigung dauert drei Monate, wobei die Produktionslinie für die Dauer stillsteht. Der von einem Anisoprint Composer gedruckte Teil hat Berichten zufolge eine längere Lebensdauer und reduziert die Ausfallzeit der Produktionslinie von 3 Monaten auf 24 Stunden.

Anisoprint erfüllte die Anforderungen für eine Molkerei-Produktionslinienkomponente mit seinem 3D-gedruckten Composite-Kolben, aber mit drastisch reduzierter Austauschzeit.

„Anisoprinting ermöglicht das Design und die Produktion optimaler Composite-Strukturen durch Composite Fiber Co-extrusion“, sagt Antonov. „Thermoplastische Polymere werden mit kontinuierlichen Fasern verstärkt, in einem einstufigen, vollautomatisierten Prozess konsolidiert und ausgehärtet, ohne Nachbearbeitung. Als Ergebnis erhalten wir Teile, die mehrfach stärker, leichter und günstiger sind als herkömmliche Metalle und Kunststoffe und auch konventionellen Composites überlegen.“