重新定义了增材制造:大规模的纤维增强热固性印刷-复合材料网

复合材料应用设备的领先制造商Magnum Venus Products(MVP)从2017年开始研究其反应性增材制造(RAM)机器。同年,热固性聚合物,胶衣和SMC供应商Polynt开始与Oak Ridge合作美国国家实验室(ORNL)开发了一种可在RAM系统中使用的反应性材料。在CAMX 2018(10月15日至18日,得克萨斯州达拉斯)上,该团队的工作因其用于热固性材料的大面积3D打印机而获得ACE无限可能性奖。本周,CW参加了一个启动活动,这三个合作伙伴在ORNL的能源部(DOE)制造示范设施(MDF)上展示了世界上第一个大型热固性复合材料增材制造系统。

重新定义了增材制造:大规模的纤维增强热固性印刷-复合材料网

在橡树岭国家实验室(ORNL)展示了MVP的反应性增材制造(RAM)机和Polynt反应沉积PRD-1520打印材料。来源 CW

反应性增材制造(RAM)

尽管已经开发出可以通过UV固化热固性材料进行3D打印的技术,但RAM和Polynt反应沉积PRD-1520打印介质构成了第一个大规模系统-当前的结构是8英尺x 16英尺x 3.5英尺-使用反应性树脂在环境温度下固化而无紫外线活化。该技术的目标是低成本的固定装置,热成型工具和高压灭菌器模具,以及广泛的应用范围。MVP CEP鲍勃·范德豪夫(Bob Vanderhoff)解释说:“ RAM提供了更强,更节能的产品,同时具有改善的热性能。”

RAM系统包括大型打印平台和落地式MVP泵送系统,仅打印头安装在计算机控制的机架上。泵送系统将短的玻璃纤维增​​强的乙烯基酯树脂和过氧化物引发剂准确地测量并计量到打印头的静态混合器中。然后,类似于大多数熔融沉积建模(FDM)系统,将混合树脂通过喷嘴挤出。“使用直径为1.2毫米的喷嘴,打印速度约为1.2米/秒,” ORNL增材制造(AM)热固性聚合物/复合材料技术负责人John Lindahl说。“ RAM可以实现FDM规模的功能,同时仍然可以提供将近7 kg / hr(15 lb / hr)的高输出。”

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来源 https://www.mvpind.com/3d-printer/

构建平台是模块化的,由八个部分组成。ORNL制造科学小组负责人Vlastimil Kunc指出:“每一个都可以轻松删除和索引。” “我可以只用手指移动它们,因此,如果您想进行后固化或机加工,则可以将其拉出并用另一根替换。”然后将过程模块化,以便可以扩大规模以用于大批量零件生产。他补充说:“例如,我们还将拾放机器人功能集成到RAM中,以根据需要嵌入传感器,热电偶,RFID标签和加热元件。”

Lindahl指出:“ RAM还配备了红外热像仪和光学传感器,可在构建过程中监控放热和温度。” “我们已经开发出了一维热化学流变模型,用于半无限壁,这是用这些材料构建的最困难的特征。该模型根据印刷树脂和反应告诉我们所需的涂层时间,印刷速度(体积输出)以及放热的程度。所有这些都指导我们优化RAM印刷参数,并充分理解印刷树脂在凝胶,固化和完全印刷过程中的粘弹性行为。”

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RAM打印机配备了红外热像仪和光学传感器,用于监控放热和对优化参数的符合性,这是ORNL的热化学流变模型定义的。来源 CW

Polynt反应沉积(PRD-1520)可提高效率

PRD-1520是一种预促进,预混合的不饱和乙烯基酯树脂,具有高粘度(2.5-3.0百万cPs),可用于泵送和3D打印。它设计用于MVP RAM打印机,具有低收缩率,94°C / 201°F的热变形温度(HDT)和107°C / 225°F的玻璃化温度。根据3D打印灯丝供应商的数据,PLA,ABS和尼龙的HDT分别为56°C,88-98°C和110°C。“但是,PRD-1520的专利正在申请专利的化学工艺可以实现印刷层之间的化学粘合”,它提高了3D打印结构的性能,与热塑性塑料相比,z方向的强度提高了2到4倍。” Polynt研发总监Steve Voeks解释说。他还指出,该树脂的开放时间很长(凝胶时间为20-25分钟),“这使得可以打印具有起始和停止位置以及层与层之间间隔很长的大型结构。”这种能够在先前沉积但仍柔软的材料上进行打印的能力。大大增加了刀具路径的自由度。

Lindahl解释说:“我们完成的刀具路径开发是热固性材料独有的。” “我们可以从稀疏填充开始,然后在零空隙层之上填充,从而打印出非常有效的结构。我们从交替的0°/ 90°层开始,然后到单个过渡层中的0°和90°印刷路径,然后在上面铺上一层实心印刷层。ORNL博士后研究员Chris Hershey将在CAMX 2019上发表一篇解释该技术的技术论文,从而在较大的表面上进行打印,同时显着减少打印材料以及重量,打印时间和成本。9月26日,星期四,上午10:00。``具有实心周边的稀疏填充结构的大规模反应挤出沉积\'\'已被授予CAMX 2019杰出技术论文和增材制造会议轨道上的最佳论文。

Lindahl说:“使用PRD-1520,RAM是目前用于聚合物和复合材料的最节能的 3D打印机。” 值得注意的是,热固性材料不需要加热台或腔室。同样不需要熔化热塑性粒料通常需要的热量。

MDF主任比尔·彼得(Bill Peter)表示:“我们与Polynt和MVP进行了互惠互利的合作,致力于下一代反应性聚合物添加剂的生产。“在能源部高级制造办公室的支持下,我们计划继续进行基础研究,以改进该技术并更好地理解基础科学,同时与我们的行业合作伙伴一起展示进一步的节能流程和应用。”