Fortschritt im 3D-Druck: Continuous-Fiber-verstärkte Composite-Fertigung

CW berichtet seit 2014 über continuous-fiber-verstärkte 3D-gedruckte Composites – beginnend mit MarkForged Mark One Drucker auf der SolidWorks World (Jan 2014). Es folgte Arevo mit Multi-Achsen-Druck continuous Fasern inkl. Z-Richtung und Konturen via Roboterarm. 2018: Orbital Composites und Composites Technology Center mit continuous-fiber Composite-Druck.

Doch ein Unternehmen druckt seit 2012 continuous Composites. CW veröffentlichte Jan 2017 einen kurzen Sidebar auf Continuous Composites (Coeur D'Alene, ID, USA), doch dessen Leistungen verdienen ausführlichere Betrachtung:

• 3D-Druck mit beliebigen continuous Fasern: Aramid, Glas (GF), Carbon (CF), Kupfer, Nichrome Draht und Faseroptik.
• UV-härtende Duroplast-Harze für Hochgeschwindigkeitsdruck und Druck frei in den Raum (un-supported).
• Ermöglicht werkzeuglose, Out-of-Autoclave Composite-Fertigung und Lastpfadoptimierung.
• Demo auf Autodesk University 2017: 3D-gedrucktes, multimateriales (chopped CF/ABS Schale, continuous GF/Epoxid Traggerüst) Ruder mit gedruckter Faseroptik zur Messung von Temperatur, Druck, Beschleunigung und elektrischer Leitfähigkeit.

CF3D Technologie

„Wir kombinieren die Kraft von Composite-Materialien mit 3D-Druckprozess und fortschrittlicher Robotik“, sagt Continuous Composites CEO Tyler Alvarado. Das Unternehmen markenrechtlich schützt Continuous Fiber 3D Printing als CF3D. „CF3D imprägniert die Faser im Druckkopf und härtet sofort nach Materialauftrag aus“, erklärt er. „Wir sind nicht limitiert auf 2D-Schichten, sodass wir die anisotropen Eigenschaften von Composites voll ausnutzen können, indem wir Fasern diskret in jede Richtung orientieren.“

Alvarado merkt an, dass Duroplast-Harze pro Kundenanwendung abstimmbar sind – z. B. Erhöhung von Modul, Zähigkeit oder Brandschutz. CF3D eignet sich auch für thermoplastische Harze; Continuous Composites demonstrierte Druck mit sowohl duroplastischen als auch thermoplastischen Materialien in demselben Bauteil.

„Wir erreichen 50–60 % Faser-Volumenanteil“, sagt Alvarado, der hinzufügt, dass variable Kompaktierung des gedruckten Laminats in den Druckkopf integriert wurde. „Drucken wir eine Struktur im freien Raum, komprimieren wir nicht gegen ein Werkzeug – Konsolidierung ist anders. Der erste Pfad ist ungestützt, braucht wenig Druck. Nachfolgende Lagen können mit Druck kompaktiert werden.“

2016/2017 baute Continuous Composites eine robotische Fertigungszelle mit verbesserter Bewegungssteuerung und Bauraum. Wie bei jedem 3D-Druck generiert Software den Maschinencode. Da Pfadgenerierung bei CF3D grundlegend anders ist, entwickelt Continuous Composites eigene Software. „Standardlösungen funktionieren nicht für continuous-fiber Toolpfad-Generierung, da wir nicht mehr auf 2D-Schichten-Stacking limitiert sind“, erklärt Alvarado. CF3D-Software automatisiert auch UV-Lichter für Harzhärtung, Filamentschnitt bei Bedarf und Kompaktionsdruck-Kontrolle.

„Der neue Druckkopf ist viel aktiver“, sagt Alvarado. „Unser neuer Endeffektor hat adaptives Spannen und dynamische Harzzufuhr-Kontrolle.“

Alvarado: CF3D kann 16 Tows breit mit 12K Carbon Tow und Epoxidharz drucken. 3-lagige Proben mit unter 1 % Porosität und durchschnittlicher Zugfestigkeit von 111 ksi (ca. 765 MPa) produziert. Mechanische Tests im Rahmen eines 2017er Projekts für US-Verteidigungsunternehmer. „Wir verbessern stetig und erwarten bald 200 ksi zu übertreffen“, so Alvarado. „FST-Tests (Fire, Smoke, Toxicity) für Luftfahrt-Innenanwendungen abgeschlossen.“

Sensing-Strukturen

CF3D ermöglicht multifunktionale Composite-Strukturen: continuous Kupferdraht für Elektronik-Stromversorgung, continuous Nichrome-Draht für eingebettete Heizung (Enteisung), continuous Faseroptik für Echtzeit-Structural Health Monitoring (SHM) und Performance-Optimierung.

Continuous Composites druckte 2017 das Demo-Profile oben mit:

• Continuous Glasfaser-Traggerüste, ungestützt von Top zu Bottom des Profils gedruckt.
• Continuous Kupferdraht versorgt LEDs an der Vorderkante.
• Nichrome-Draht für Enteisung an der Vorderkante.
• Faseroptik auf der Oberseite zur Datenerfassung.

Nov 2017: Continuous Composites, Form Forge (Portland, OR, USA) und Autodesk produzierten einen sensorischen Composite-Ruder für „Making Waves“ Exhibit mit Livrea Yacht (Palermo, Italien) auf Autodesk University.

Ruder ca. 1,35 m hoch, gedruckt mit 20 % chopped Carbonfaser-verstärktem ABS (Thermoplast) für Schale/Haut, continuous Glasfaser für strukturelle Traggerüste. Zusätzlich gedruckte Faseroptik.

Fertiger Ruder wurde am Stand gezeigt. „Wir ließen das Publikum ihn anfassen, und die Sensoren sammelten 5 Gigabyte Daten über 2 Tage: Temperatur, Beschleunigung und Spannungsänderungen“, berichtet Alvarado. „Durch eingebettete Funktionalität können wir Performance für Echtzeit-Gesundheitsmonitoring und Optimierung erfassen und analysieren.“

Denken Sie daran: Ruder und Foils Ihrer Rennjacht können nun echte Daten in Ihre CFD-Analyse (Computational Fluid Dynamics) und Designsoftware zurückspeisen, um individuelles Strukturd esign und Gesamtbootperformance intelligent zu optimieren. Ebenso könnten Ruder und Foils Flugzeug- oder Automobilstrukturen sein.

„Wir wollten demonstrieren, CF3D mit mehreren Materialien und mehreren additiven Fertigungsmodi in einer Zelle zu kombinieren“, sagt Alvarado. Flexibilität beim Abstimmen von Duroplast-Harzen wurde auch gezeigt: Harz für continuous Faser modifiziert, um an chopped Faser/ABS zu haften.

Zukunft der Fertigung

Continuous Composites hat eine kühne Vision für CF3D: lokale Fertigung, Renaissance der US-Fertigung, Weg zu nachhaltigeren Produktionsprozessen. „Unsere Technologie löst viele Probleme traditioneller Composite-Fertigung“, sagt Alvarado. „Wir automatisierten Faserlegung in alle Richtungen, öffnen Designmöglichkeiten und eliminieren teure Werkzeuge, Autoklaven, Öfen. Durch Entfernen dieser Constraints kann CF3D mehrere Komponenten in ein einzelnes gedrucktes Teil kombinieren und Funktionalität einbetten – alles in einem Fertigungsprozess. Unsere Technologie ist eine neue, aufkommende Fertigungsmethode, die viele Industrien disrupten wird.“

Alvarado: Continuous Composites baut ein Technologie-Ökosystem mit OEMs, Maschinenherstellern, Robotik-Integratoren, Materiallieferanten, Softwarefirmen. „7 erteilte Patente, 76 non-provisional Patentanmeldungen anhängig, 11 provisional anhängig – über 250 patentierte und patent-pending Konzepte. Wir entwickeln Technologie weiter und suchen Deployment über alle Branchen: Luftfahrt, Automotive, Defense, Bau etc.“