Revolutionierung der Composite-Fertigung: Magnetischer 3D-Druck für maßgeschneiderte Materialien

Fortify (Boston, MA, USA) wurde 2016 gegründet, basierend auf Composite-3D-Druck-Forschung von Josh Martin (Fortifys CEO) und Randall Erb, Direktor des DAPS Lab an der Northeastern University in Boston. (Erb ist auch Mitgründer von Boston Materials und Fortify.) Ihr Ziel war es, die schnelle Produktion von Composites mit optimierten Mikrostrukturen zu ermöglichen. Die patentierte Fluxprint-Technologie, die sie entwickelten, nutzt Magnetfelder und Digital Light Processing (DLP) – aber mit hochgefüllten Harzsystemen – um benutzerdefinierte Mikrostrukturen in hochauflösenden, 3D-gedruckten Composite-Teilen zu erzeugen.

 

Fluxprint vs. DLP

Sowohl DLP als auch Stereolithografie (SLA) werden derzeit als die 3D-Drucktechnologien angesehen, die die höchste Teilekomplexität und Präzision bieten. Beide basieren auf der Verwendung von Licht – typischerweise Ultraviolett (UV) – zur Aushärtung eines fotosensitiven Harzes, das normalerweise aus Epoxid oder Acryl- und Methacrylmonomeren besteht. Das Licht wird digital gesteuert, um auf das Harz im Tank des Systems zu scheinen, um die Formen oder Muster für jede Schicht zu erzeugen. Die Fertigungsplattform wird nach jeder Schicht bewegt, was den Druck der nächsten Schicht ermöglicht und zu einem fertigen, festen Teil führt.

DLP-Projektoren und SLA reichen zurück bis zum Beginn des 3D-Drucks in den 1980er Jahren. DLP-Drucker neigen dazu, größer zu sein, weil sie den eigentlichen Lichtprojektor beherbergen. Die meisten SLA- und DLP-Maschinen verwenden Thermoset-Polymere, aber EnvisionTEC baut einen Drucker, der auch Thermoplaste verwenden kann. Beide haben traditionell reine Polymere ohne Verstärkung verwendet.

Vergleich DLP vs SLA. Quelle | Royal Society of Chemistry und „DLP vs SLA – 3D Printing Technologies Shootout“ von Ricardo Pires, all3DP.com

 

„DLP-Plattformen sind in der Lage, ausreichende Produktionsraten und Qualität zu liefern“, sagt Fortify CEO Josh Martin, „aber die mechanischen Eigenschaften waren immer eine Herausforderung. Unsere Kernthese ist, dass ein Leistungssprung nicht durch Polymerchemie allein erreicht wird. Die Ausnutzung der einzigartigen Eigenschaften von Composites in der hochauflösenden additiven Industrie wird jedoch ein Gamechanger sein.“

Er erklärt, dass Fortify sich auf UV-Aushärtung von hochgefüllten technischen Harzen mit einzigartigen Additiven und der Steuerung der Orientierung dieser eigenschaftsverbessernden Additive im Druck spezialisiert hat. Füllstoffe umfassen Glas-, Carbon- und Keramikfasern sowie Partikel. Technische Harze umfassen Acrylat- und Methacrylat-basierte (PMMA) oder Epoxid-basierte, kationische – die Martin erklärt, sind der Beschichtungsindustrie konventioneller. Führende Harzhersteller weltweit (BASF, DSM, Dupont und andere) investieren stark, um die Eigenschaften ihrer Additivmaterialien voranzutreiben. Fortify kann die besten dieser Fortschritte auswählen, um ihre Verstärkungstechnologie hinzuzufügen.

 

Die Steuerung der Faserorientierung wird durch ein Magnetfeld erreicht. Während Fortify ein Teil mit seiner Fluxprint-Technologie 3D-druckt, werden Fasern Voxel-für-Voxel magnetisch ausgerichtet, um den Lastanforderungen des Teils gerecht zu werden. (Sehen Sie den Prozess im Video oben in Aktion.) Für nicht-magnetische Verstärkungsmaterialien wie Keramik- und Glaspartikel und -fasern werden proprietäre magnetische Markierungstechniken verwendet, um die Füllstoffe so zu beschichten, dass sie magnetisch ansprechbar und mit dem Harz kompatibel sind.

 

Der Fluxprint-Prozess wird im obigen Bild gezeigt und wie folgt beschrieben:

1. Eine Schicht Zufuhrmaterial wird in den Bauabschnitt geliefert, mit zufällig ausgerichteter Verstärkung.
2. Magnetfeld wird angelegt, um die Verstärkung auszurichten.
3. Aktive Voxel werden UV-Licht ausgesetzt, was die Verstärkungsorientierung in diesen Voxeln fixiert (jetzt rot dargestellt).
4. Das Magnetfeld wird verschoben, um eine neue Orientierung der Verstärkung einzustellen.
5. Wiederholung des UV-Belichtungsschritts, um die Orientierung für den nächsten Voxel-Satz zu fixieren (bei Bedarf wiederholen).
6. Bauplatte justiert, um ungehärtetes Zufuhrmaterial-Matrix für die nächste Druckschicht einzubringen.

Die Fluxprint-Technologie ermöglicht Voxel-Ebene-Steuerung über Faserorientierung während des Druckprozesses. QUELLE | „Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing“ von Joshua J. Martin, Brad E. Fiore und Randall M. Erb, Nature Communications Band 6, Artikelnummer: 8641 (2015).

 

Warum Voxel-für-Voxel?

„Jede Geometrie hat einzigartige Dehnungs- und Spannungszustände“, erklärt Martin. „Die meisten Composites werden manuell hergestellt, um dies zu berücksichtigen. Wir digitalisieren den Prozess. Zum Beispiel, wenn man einen UAV-Rahmen richtig verstärken kann, kann man weniger Material verwenden. Jede Anwendung, die gegen die Schwerkraft arbeitet, wird fundamental davon profitieren.“

Voxel-für-Voxel-Druck ist auch inhärent hochauflösend. „Dies ist der bisher höchste Auflösungs-Composite-Fertigungsprozess“, sagt Martin und merkt an, dass Fused Deposition Modeling (FDM) – wo unverstärkte oder gemahlene faserverstärkte Kunststofffilamente geschmolzen und auf ein Druckbett aufgebracht werden – eine Auflösung im Bereich von hunderten Mikrometern hat, während Fluxprints im Bereich von zehn Mikrometern liegt. „Das ist eine Größenordnung Verbesserung, was in das Gebiet jenseits dessen fällt, was mit bloßem Auge wahrgenommen wird. Diese Art von Auflösung ist für eine Vielzahl von Endverbrauchsteilen sehr wichtig.“

Fortifys Fluxprint magnetischer 3D-Druck kann Fasern ausrichten, um „Peg“-Vorsprünge auf Spritzgusswerkzeugen zu verstärken. Quelle | Fortify.

„Wir bieten Spritzgusswerkzeuge an, die erheblich günstiger sind als traditionell bearbeitetes Metall, in einem Bruchteil der Zeit geliefert werden können und Merkmale bieten, die konventionelle Bearbeitungspraktiken nicht erreichen könnten“, fährt Martin fort. „Ein Kunde würde 12 verschiedene Designs pro Jahr aus Aluminium fräsen. Wir haben ihre Time-to-Market erheblich verkürzt, indem wir mehr als ein Dutzend Designs in wenigen Monaten produzierten. Sie können nun vom Design zu Teilen im Regal in wenigen Wochen wechseln.“ Ein weiterer Vorteil ist die Fähigkeit, Vorsprünge, die als „Pegs“ bezeichnet werden, zu verstärken. Diese hochaspektigen Extrusionen ziehen sich oft heraus. Verstärkung verhindert das, während enge Toleranzen gehalten werden.

Lesen Sie mehr über Fortifys Vorteile im Spritzgusswerkzeugbau in CWs Schwesterzeitschrift Additive Manufacturing.

 

Offene Materialien, neue Entwicklungen

Fortify verfolgt einen offenen Materialansatz. „Wir wollen die Fähigkeit unserer Kunden zum Wachstum und zur Erkundung im additiven Bereich nicht einschränken“, erklärt Fortify VP of Applications Karlo Delos Reyes. „Wir garantieren unseren Kunden Flexibilität und die besten verfügbaren Materialien, indem wir offene Innovation annehmen.“

„Wir partnerschaften mit großen Polymerherstellern und passen die Oberflächenchemie der Additive an“, sagt Martin. Er merkt an, dass jeder Füllstoff seine eigenen Vor- und Nachteile hinsichtlich Verschleißfestigkeit, Leistung bei Temperatur usw. hat. „Bei Fasern reichen die Längen von wenigen µm bis zu wenigen mm, abhängig von der Anwendung. Wo wir Oberflächenauflösung benötigen, verwenden wir einen höheren Prozentsatz kürzerer Additive. Wo wir eine raue Oberfläche tolerieren können, aber für Zugfestigkeit optimieren wollen, verwenden wir längere Faseradditive.“

Eine von Fortifys Strategien ist die Partnerschaft mit Branchenführern und Lieferanten, um Expertise zu nutzen und cross-pollination von Ideen zu ermöglichen. Fortify kündigte kürzlich eine Partnerschaft mit DSM Additive Manufacturing (Hoek van Holland, Niederlande und Elgin, Illinois, USA) an, um hochleistungsfähige Composite-Materialien zu entwickeln, die in Fortifys Drucksystemen verwendet werden, um erweiterte mechanische und Temperaturleistung zu erreichen. „Sie werden unsere Harzpalette erweitern“, sagt Martin, „und wir freuen uns, mit ihnen an der Entwicklung modernster Harze zu arbeiten.“

Glasfaserverstärktes Composite-Teil, hergestellt mit Fluxprint. QUELLE | Fortify.

 

Z-Richtungs-Verstärkung und Anwendungen

Fluxprint druckt immer noch Schicht für Schicht. Ist es also möglich, Z-Richtungs-Verstärkung zu erreichen? „Wenn Sie 2 Millimeter lange Fasern drucken, können Sie diese nicht in Z-Richtung bringen“, sagt Martin. „Aber Sie könnten kürzere Fasern in Z-Orientierung bringen. Wir schauen uns mehrere Längenskalen an und sehen, dass sich das in Zukunft für optimierte Lastübertragung entwickeln wird.“

Fortify produziert bereits Teile für UAVs, einschließlich Propeller, und sieht viele weitere solche Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. „Wir haben einen kleinen Baubereich, also konzentrieren wir uns auf Anwendungen, bei denen wir kleinere Teilevolumen leicht erfüllen können“, sagt Martin. „Dies ist ein reifes Ökosystem, aber wir bieten ein neues Leistungsniveau in mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen und Toleranzen.“ Er nennt die Fähigkeit, die Wärmeformbeständigkeitstemperatur eines Teils zu verbessern und erklärt, es gibt Dutzende von Unter-der-Haube-Teilen in der Automobilindustrie, die Festigkeit und Steifigkeit bieten müssen, während sie 160 °C Temperaturen ausgesetzt sind. „Solche Teile mit komplexen Geometrien eignen sich gut für 3D-Druck mit unserer Technologie. Im Vergleich zur aktuellen Methode des Formens und Bearbeitens von Teilen aus PEI (Polyetherimid) bieten wir höhere Leistung, kürzere Lieferzeiten und ein hohes Potenzial für niedrigere Kosten.“

Werkzeugbau ist auch ein aktueller Markt, einschließlich Matrizen, Lehren und Vorrichtungen für Spritzguss. „Wiederum sind unsere Teile steifer, stärker und haben höhere Temperaturbeständigkeit, behalten dimensionsgenaue Genauigkeit im Einsatz“, sagt Martin. „Aber ihr eigentlicher Wert liegt darin, dass sie keine signifikante Nachbearbeitung erfordern, wie sie bei EDM-Maschinen nötig ist, und dennoch die Qualität von Vorrichtungen erreichen, die mit diesen traditionellen Methoden hergestellt werden, einschließlich CNC-Fräsen.“

 

Quelle | MultiMechanics

Fortschritt der nächsten Generation multiskaliger, multifunktionaler Composites

Fortify hat sich mit MultiMechanics (Omaha, Nebraska, USA), einem Entwickler von Multiskalen-Modellierungs- und Simulationssoftware für fortschrittliche Materialien, zusammengetan. Diese Partnerschaft ist aus mehreren Gründen interessant. Erstens wird Fortify MultiMechanics' Flaggschiffprodukt MultiMech verwenden, um die Leistung von Teilen vorherzusagen und ihr Design und ihre Faserorientierung vor dem Drucken zu optimieren. Somit wird MultiMech als Feedback für closed-loop iteratives Design fungieren, was Nutzern ermöglicht, Fluxprint-Composite-Teile schneller anzupassen und zu optimieren. Fortify und MultiMechanics planen auch, MultiMech in Fortifys INFORM generatives Design- und Drucksteuerungssoftware zu integrieren. Damit werden alle Funktionen – vom Design über virtuelles Testen bis zum Drucken – in einem einzigen digitalen Strom gesteuert.

Für den zweiten Punkt ist es wichtig zu verstehen, was MultiMechanics durch seine MultiMech-Software bietet:

• Multiskalen-Finite-Elemente-Analyse, einschließlich Modellierung einer praktisch unbegrenzten Anzahl von Skalen (z. B. Nano, Mikro, Lage, Laminat, Teil).

• Automatische Generierung komplexer 3D-Finite-Elemente-Mikrostrukturen und Modellierung fast beliebiger Materialmikrostrukturen, einschließlich kontinuierlicher und gehackter Fasern, Partikel, Poren, Schäume, Gewebe usw.
   

• ​​​​Modellierung der Effekte von Mikroskalenbestandteilen, einschließlich Wechselwirkungen, Volumenanteile, Verteilung und Orientierung, plus Import prozessinduzierter Variation aus Programmen (z. B. Moldex3D, Moldflow).

• Analyse, wie Fertigungsvariation die Teileleistung beeinflusst und Durchführung von Schadensmodellierung einschließlich multiskaligem Übergang von Mikrorissen zu Makrorissen.

Dies geht zurück auf den Grund, warum Martin und Erb Fortify überhaupt gründeten. In ihrem Artikel von 2015, „Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing“, stellen sie fest:

Martin und Erb diskutieren natürliche Composites, die diskontinuierliche Fasern und verstärkende Partikel in multiskaligen, komplexen Architekturen organisieren, um überlegene Eigenschaften gegenüber ihren Bestandteilen zu erreichen. Ein Beispiel von Qunfeng Cheng in einem 2017 Materials Today Artikel ist Perlmutt in Abalonenmuscheln. Es besteht aus 95 Vol.% anorganischem Aragonit und 5 Vol.% organischer Proteinmatrix, und Perlmutt's Bruchzähigkeit ist 3.000 Mal höher als die von Aragonit. Cheng merkt an, dass dies einen „Verstärkungseffekt“ in mechanischen Eigenschaften zeigt, der weit über die Mischungsregel traditioneller Composites hinausgeht.

Im 2018 Advanced Materials Artikel „Additive Manufacturing as a Method to Design and Optimize Bioinspired Structures“ behaupten die Autoren Audrey Velasco-Hogan, Jun Xu und Marc A. Meyers, dass die hierarchische Struktur von Materialien wie Perlmutt, Knochen, Bambus und Krustentierschalen das beeindruckende Kombination von Festigkeit, Modul, Leichtgewicht, Zähigkeit und Ermüdungsfestigkeit ermöglicht. Ihre Bestandsteilchen/Filamente und Matrix sind auf jeder Ebene anders organisiert (z. B. Nano-, Mikro-, Meso-, Makro-), wodurch die Eigenschaften auf jeder Ebene variieren (d. h. ein multiskaliges Composite). In Kombination mit effizienten Grenzflächen zwischen den Ebenen arbeitet diese hierarchische Struktur synergistisch, um Rissausbreitung zu mildern und Zähigkeit zu erhöhen, während Härte beibehalten wird – etwas, das in Keramiken nach etwa einem Jahrhundert Versuch noch nicht erreicht wurde.

 

Zukunft der Composites und INFORM

Das ist die Zukunft der Composites: Design hierarchischer Composites mit einzigartigen Eigenschaften, maßgeschneidert für präzise Anwendungen. Und sie wird bereits schnell vorangetrieben. Zum Beispiel hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Institut für Strukturen und Design in Stuttgart auch mit MultiMechanics zusammengearbeitet, um zu verstehen, wie Temperaturänderungen die Mikrostruktur und das Materialverhalten von Keramik-Matrix-Composites (CMCs) beeinflussen. Diese Analyse wird als entscheidend für DLRs zukünftige CMC-Komponentenproduktion angesehen, einschließlich Düsen für Raketen und thermische Schutzsysteme für Wiedereintrittsfahrzeuge. „Unsere Arbeit bei MultiMechanics in den letzten zehn Jahren war darauf gewidmet, das mikrostrukturelle Verhalten fortschrittlicher Materialien präzise mit der gesamten Teileleistung und ihrer Fertigung zu verbinden“, sagt Dr. Flavio Souza, President und CTO von MultiMechanics. „MultiMech erlaubt uns, mikrostrukturelle Risse zu modellieren und zu bestimmen, wie sie das gesamte Composite-Teil beeinflussen würden“, stellt Neraj Jain, Gruppenleiter in der Abteilung Keramische Composites und Strukturen bei DLR, fest. „MultiMechs effiziente Integration mit unseren anderen FEA-Tools wie Abaqus und ANSYS erhöht unsere Produktivität und bringt uns näher an unser Ziel, CMC-Materialien virtuell zu optimieren.“

Sobald diese Composites virtuell optimiert wurden, werden sie dann gedruckt, mit MultiMech eingebettet in Fortifys INFORM-Software, die bereits auf organische, lastoptimierte Architekturen über ihren generativen Design-Rückgrat ausgerichtet ist. (Hinweis: Auch Solvays Composite Materials Geschäftsbereich hat in sowohl MultiMechanics als auch 3D-Drucktechnologie investiert.)

Faserverstärktes Gitter, Design bereitgestellt von nTopology. Quelle | Fortify.

„INFORM verwendet fortschrittliche Algorithmen, um Faserorientierung für jedes Teil zu optimieren“, erklärt Martin. „Wo traditionell der 3D-Druck-Workflow mit STL beginnt, um das Design zu schneiden, beginnt unserer mit FEA (ein Modell mit Spannung und Dehnung) und entscheidet dann, in welche Voxels das modellierte Design getrennt werden soll und wie die Fasern orientiert werden sollen. Wir durchlaufen Iterationen, richten die Fasern an Spannungs-/Dehnungsfeldvektoren aus, simulieren dann, wie dieser Druck sich verhalten wird, und nutzen diese Daten, um das Design zu verfeinern und zu optimieren, wodurch mikrostrukturelles generatives Design erreicht wird.“

 

Erst der Anfang

Beachten Sie, dass diese zukünftigen Composites eine Reihe von Materialien umfassen. Das Naval Research Laboratory (NRL, Arlington, Virginia, USA) entwickelt CMCs mit einer keramischen Matrix und einer sekundären keramischen Verstärkung über Nanopartikel und/oder Filamente. Diese CMCs können auch kontinuierliche Faserverstärkung verwenden. Mit anderen Worten, unterschiedliche Bestandteile und Architekturen können auf jeder Ebene für die erforderliche erhöhte Zähigkeit und maßgeschneiderte elektrische und thermische Eigenschaften verwendet werden (z. B. in Hyperschall, mehr in meinem Juli-2019-Feature über Nanocomposites).

QUELLE | Abbildung 3, „Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing“ von Joshua J. Martin, Brad E. Fiore und Randall M. Erb, Nature Communications, Band 6 (2015).

 

Hierarchische Composites werden auch mit verstärkten Epoxid-Tinten und thermoplastischen Polymermatrizen gedruckt und getestet. Dies ist vielleicht der größte Vorteil für Fortify als Startup. Es bereitet sich nicht nur auf die Composites der Zukunft vor, es entwirft und produziert sie bereits. Und obwohl das, was es bereits erreicht hat, beeindruckend ist – es ist erst der Anfang.