Reduzindo Custos na Impressão 3D com Fibra Contínua: Inovações e Estratégias

O Instituto DLR de Estruturas Compósitos e Sistemas Adaptativos (Braunschweig, Alemanha) é uma instituição líder em construção leve, perseguindo novas tecnologias em quatro campos estratégicos: design para certificação, digitalização e Indústria 4.0, reciclagem e estruturas compósitos aditivas. A CW reportou anteriormente este ano sobre o EmpowerAX Innovation Lab do instituto para acelerar, fortalecer e ampliar a transferência de extrusão aditiva para a indústria para compósitos impressos em 3D. Também está completando uma série de projetos de P&D incluindo simulação de extrusão aditiva, modificação de termoplásticos para performance melhorada em impressão 3D e produção de filamentos de impressora com fibra contínua.

Este último projeto, intitulado ENDLOSEFFEKT ("efeito infinito"), é desenhado para melhorar producibilidade, qualidade e custo de materiais reforçados com fibra de comprimento infinito. "A disponibilidade de filamentos de impressão 3D pré-impregnados com fibra contínua é limitada," explica Maik Titze, responsável por manufatura aditiva no Instituto DLR de Estruturas Compósitos e Sistemas Adaptativos em Braunschweig. "Essa disponibilidade limitada e variedade de materiais utilizáveis, bem como os preços dos materiais, constituem barreira à aplicação. Queríamos projetar um bico de impregnação para que o mesmo equipamento usado para produzir filamentos padrão para FDM [modelagem por deposição fundida] com fibra picada também pudesse produzir filamentos reforçados com fibra contínua. Este equipamento seria para empresas que fabricam filamentos de impressora 3D, com objetivo de reduzir o custo de impressão 3D com materiais reforçados com fibra contínua."

Atualmente, a maioria dos filamentos de impressora 3D reforçados com fibra contínua são feitos pelas mesmas empresas que vendem máquinas de impressão com fibra contínua, com cada material desenvolvido e otimizado para um sistema de impressão particular. Esses materiais tendem a ser somewhat custosos.

"Nossa ideia é começar com qualquer tamanho de fibra seca, por exemplo tow de fibra de carbono 1K até 50K, e então usar impregnação por fusão direta de pellets ou grânulos termoplásticos commodity via extrusão porque é muito custo-efetivo," diz Titze. "Você não precisa produzir pó de polímero ou folhas, nem usar prensas caras ou centenas de rolos para alcançar impregnação da fibra. Então, o processamento se torna muito mais acessível e acessível."

Em vez de prensas, cintas e rolos, o DLR criou um sistema usando ultrassom. "Usamos um sonotrodo de 19,5 quilohertz que direciona vibração no termoplástico fundido que envolve a fibra," explica Titze. "Esta vibração a 19.500 vezes por segundo resulta em impregnação muito boa."

As micrografias na Fig. 2 mostram fibra de carbono 12K impregnada com ácido polilático (PLA), poliamida (PA) e poliéterimida (PEI) a 50% volume de fibra. O volume de fibra é ajustável (30-50%) através do design do bico de matriz, diz Titze. "Acreditamos que até 60% será possível. No geral, mais trabalho é necessário no processo, mas mostramos que funciona com bons resultados iniciais e velocidade de linha de 5 mm/segundo." Ele concede que isso é lento e não econômico, mas um novo design de equipamento estava previsto para teste em junho, visando já atingir 3 metros/minuto.

"Tipicamente, velocidades seriam mais próximas de 10 metros/minuto," diz Titze. "No entanto, a tecnologia também pretende permitir produção flexível de novas combinações de materiais, então uma velocidade ligeiramente menor poderia ajudar a tornar produções menores acessíveis."

O processo que o DLR desenvolveu não é seletivo a um material — qualquer fibra ou polímero pode ser usado, diz Titze. "Isso é importante conforme processos continuam a hibridizar e novos materiais são necessários. Materiais para impressão 3D devem se tornar mais competitivos, ou a impressão 3D com fibra contínua não terá grande futuro. Usando pellets ou grânulos termoplásticos, podemos reduzir significativamente o custo e o equipamento cabe em pequeno espaço de instalação para que até pequenas empresas possam implementá-lo."

O Instituto DLR de Estruturas Compósitos e Sistemas Adaptativos iniciou este projeto em outubro de 2019 e o completará em janeiro de 2022. "Nosso objetivo é miniaturizar ainda mais a tecnologia e integrá-la em um cabeçote de impressão," diz Titze. "Assim, seria impregnação direta inline com a impressão. Ambas abordagens serão transferidas para a indústria." Ele explica que como organização governamental sem fins lucrativos, o DLR não estará "vendendo" nada e não haverá direitos exclusivos. "Nosso objetivo é envolver fornecedores de cabeçotes de impressão para reduzir preços de materiais em toda a indústria e ampliar a aplicação industrial de manufatura aditiva com fibra contínua."