Revolucionando a Manufatura Aditiva: Impressão em Grande Escala de Termofixos Reforçados com Fibra

A Magnum Venus Products (MVP), fabricante líder de equipamentos de aplicação de compósitos, começou a trabalhar em sua máquina de Manufatura Aditiva Reativa (RAM) em 2017. No mesmo ano, a Polynt, fornecedora de polímeros termofixos, gelcoats e SMC, começou a trabalhar com o Oak Ridge National Laboratory (ORNL) para desenvolver um material reativo para uso no sistema RAM. Na CAMX 2018 (15-18 out, Dallas, TX), os esforços da equipe foram reconhecidos com o Prêmio ACE Infinite Possibility por sua Impressora 3D de Grande Área para Materiais Termofixos. Esta semana, a CW participou de um evento de lançamento onde esses três parceiros demonstraram o primeiro sistema de manufatura aditiva de compósitos termofixos em grande escala do mundo na Manufacturing Demonstration Facility (MDF) do Departamento de Energia (DOE) no ORNL.

Máquina RAM da MVP e material Polynt Reactive Deposition PRD-1520 demonstrados no Oak Ridge National Laboratory. FONTE: CW

Manufatura Aditiva Reativa (RAM)

Embora a tecnologia tenha sido desenvolvida permitindo impressão 3D com termofixos de cura UV, o RAM e o meio de impressão Polynt Reactive Deposition PRD-1520 compreendem o primeiro sistema em grande escala — envelope de construção atual é 8 pés por 16 pés por 3,5 pés — a usar uma resina reativa que cura à temperatura ambiente sem ativação UV. Esta tecnologia visa fixadores de baixo custo, ferramentas de termoformação e moldes de autoclave, bem como uma gama mais ampla de aplicações. "O RAM entrega produtos mais fortes, mais eficientes energeticamente com propriedades térmicas aprimoradas", explicou o CEO da MVP, Bob Vanderhoff.

O sistema RAM inclui a grande plataforma de impressão e um sistema de bombeamento MVP montado no chão, com apenas o cabeçote de impressão montado no gantry controlado por computador. O sistema de bombeamento mede e dosa com precisão a resina vinil éster reforçada com fibra de vidro curta e o iniciador de peróxido em um misturador estático no cabeçote de impressão. A resina misturada é então extrudada através de um bico, semelhante à maioria dos sistemas de modelagem por deposição fundida (FDM). "Usando um bico de 1,2 mm de diâmetro, a velocidade de impressão é de aproximadamente 1,2 metros/segundo", disse John Lindahl, líder técnico do ORNL para polímeros/compósitos termofixos em manufatura aditiva. "O RAM pode alcançar características em escala FDM enquanto ainda entrega uma alta saída de quase 7 kg/h (15 lb/h)."

FONTE: https://www.mvpind.com/3d-printer/

A plataforma de construção é modular, feita de oito segmentos. "Cada um destes é facilmente removido e indexado", nota Vlastimil Kunc, líder do grupo de ciência de manufatura do ORNL. "Posso movê-los apenas com meus dedos, então você poderia puxar um e substituí-lo por outro se quisesse pós-curar ou usinar." Isso modulariza o processo para que possa ser escalado para produção de peças em alto volume. "Também integramos capacidade de robô pick-and-place no RAM para embutir sensores, termopares, tags RFID e elementos de aquecimento, por exemplo, conforme necessário", ele adiciona.

"O RAM também é equipado com câmeras infravermelhas e sensores ópticos para monitorar exotermia e temperatura durante a construção", nota Lindahl. "Desenvolvemos um modelo termo-químico-reológico 1D que usamos com uma parede semi-infinita, que é a característica mais difícil de construir com esses materiais. O modelo nos diz, com base na resina de impressão e reação, qual tempo de camada você precisa, quão rápido você pode imprimir (saída volumétrica) e quão quente será a exotermia. Tudo isso nos guia na otimização dos parâmetros de impressão RAM e na compreensão total do comportamento viscoelástico da resina impressa durante gel, cura e impressão totalmente concluída."

A impressora RAM é equipada com câmeras infravermelhas e sensores ópticos que monitoram exotermia e conformidade com parâmetros otimizados, conforme definido pelo modelo termo-químico-reológico do ORNL. FONTE: CW

Polynt Reactive Deposition (PRD-1520) para Eficiência

PRD-1520 é uma resina vinil éster insaturada pré-promovida, pré-compostada, projetada com alta viscosidade (2,5-3,0 milhões de cPs) para bombeamento e impressão 3D. Foi projetada para uso na impressora RAM da MVP, apresentando baixa retração e temperatura de deflexão térmica (HDT) de 94°C/201°F e temperatura de transição vítrea de 107°C/225°F. Isso se compara a HDT de 56°C, 88-98°C e 110°C para PLA, ABS e nylon, respectivamente, segundo fornecedores de filamentos de impressão 3D. "No entanto, a química patenteada do PRD-1520 permite ligação química entre as camadas impressas, o que aumenta as propriedades de estruturas impressas em 3D, incluindo 2 a 4 vezes maior resistência na direção z comparado a termoplásticos", explicou o diretor de P&D da Polynt, Steve Voeks. Ele também observou o longo tempo aberto da resina (tempo de gel de 20-25 minutos), "o que torna possível imprimir grandes estruturas com paradas e longos intervalos entre camadas." Essa capacidade de imprimir sobre material previamente depositado ainda mole aumenta significativamente a liberdade de caminho de ferramenta.

"O desenvolvimento de caminho de ferramenta que fizemos é único para materiais termofixos", explicou Lindahl. "Podemos imprimir estruturas muito eficientes começando com um preenchimento esparso e depois cobrindo com uma camada de perímetro sem vazios. Começamos com camadas alternadas 0°/90° e depois para caminhos de impressão 0° e 90° em uma única camada de transição que é então coberta com uma camada de impressão sólida. Isso permite imprimir grandes superfícies reduzindo significativamente material de impressão bem como peso, tempo de impressão e custo." Um artigo técnico explicando esta tecnologia será apresentado pelo pesquisador pós-doutorado do ORNL Chris Hershey na CAMX 2019 na quinta-feira, 26 de setembro às 10:00. "Large-Scale Reactive Extrusion Deposition of Sparse Infill Structures with Solid Perimeters" já recebeu o prêmio de Melhor Artigo Técnico da CAMX 2019 e melhor artigo na trilha de Manufatura Aditiva.

"Usando PRD-1520, o RAM é atualmente a impressora 3D mais eficiente energeticamente para materiais poliméricos e compósitos", diz Lindahl. Notavelmente, o material termofixo não requer mesa ou câmara aquecida. Também não é necessário o calor normalmente requerido para derreter pellets termoplásticos.

"Desfrutamos de uma colaboração mutuamente benéfica com Polynt e MVP olhando para manufatura aditiva de polímeros reativos de próxima geração", disse Bill Peter, Diretor da MDF. "Com o apoio do Advanced Manufacturing Office do DOE, planejamos continuar pesquisa fundamental para melhorar esta tecnologia e entender melhor a ciência subjacente enquanto demonstramos processos e aplicações mais eficientes energeticamente com nossos parceiros da indústria."

Para saber mais, visite a MVP no estande G2 e ORNL no estande S25 na CAMX 2019 (23-26 set, Anaheim, CA) ou contate Hannah Jay na MVP, Rick Pauer na Polynt ou Jennifer Burke no ORNL.