Desbloqueando potencial comercial de termofixos UV-curáveis em impressão 3D de fibra contínua

A tecnologia CF3D usa materiais termofixos de cura instantânea para reduzir alto custo, longos prazos de entrega e restrições de design. Crédito da foto: Continuous Composites

Em setembro de 2020, o especialista em impressão 3D de fibra contínua Continuous Composites (Coeur d'Alene, Idaho, EUA) anunciou uma parceria estratégica com a empresa de materiais especiais Arkema (Colombes, França) através de sua linha de negócios Sartomer, para combinar a tecnologia de impressão Continuous Fiber 3D (CF3D) patenteada da Continuous Composites com as soluções de resina fotocurável N3xtDimension da Arkema. A combinação espera resultar em desenvolvimento, certificação e comercialização de uma biblioteca de soluções de materiais avançados para atender às necessidades de uma ampla variedade de aplicações e indústrias.

Parceria nascida de relacionamento de longa data

Esta parceria formal cresceu a partir de um relacionamento que começou em 2015, quando Dr. Sumeet Jain, diretor sênior de impressão 3D na Arkema Worldwide, tomou conhecimento da Continuous Composites e viu uma oportunidade no processo de impressão que a empresa estava desenvolvendo. Segundo Tyler Alvarado, CEO da Continuous Composites, a parceria foi natural: "Ele [Jain] viu a oportunidade de avançar resinas termofixas fotocuráveis, e vimos que ele tinha décadas de experiência com os polímeros que estávamos usando."

Em 2019, as empresas tinham um acordo de desenvolvimento conjunto, e no início de 2020, a Arkema tomou uma posição de equity na Continuous Composites, com a parceria estratégica anunciada em setembro. "Estamos extremamente entusiasmados com a parceria e os resultados que ambas as equipes conseguiram alcançar. É uma daquelas coisas onde um mais um é igual a três, realmente alavancando a experiência deles não apenas no espaço de compósitos mas em termofixos fotocuráveis", diz Alvarado.

Unindo resinas fotocuráveis com impressão 3D de fibra contínua

Hoje, o segmento de Materiais Avançados da Arkema tem ramos abrangendo muitos materiais, incluindo termofixos e termoplásticos, e, dentro de compósitos, muitos processos e aplicações, incluindo impressão 3D bem como processos de fabricação mais tradicionais. A linha de negócios Sartomer foca em acrilatos e metacrilatos especiais para uma gama de mercados, e tem fornecido materiais UV-curáveis nas formas de revestimentos, adesivos e filamentos de impressão 3D por décadas, segundo Jeffrey Klang, diretor de P&D da Sartomer para a equipe global de impressão 3D.

Para complementar seu sistema de impressão CF3D, que é uma tecnologia de impressão 3D escalável fora de autoclave (OOA) baseada no uso de resinas de cura instantânea e fibras contínuas (leia uma descrição mais detalhada aqui: "Impressão 3D de compósitos com fibra contínua"), a Continuous Composites requeria um catálogo de resinas que atendessem aos altos requisitos mecânicos de clientes em indústrias variando de aeroespacial a energia a defesa. "Nosso modelo de negócio é fornecer máquinas, e seu software e resinas correspondentes, para permitir que estes clientes fabriquem qualquer componente que estejam perseguindo em sua aplicação industrial específica", diz Alvarado.

Esta necessidade de altas propriedades mecânicas como temperaturas de transição vítrea (Tg) e fogo, fumaça e toxicidade (FST) levou a um foco em resinas termofixas, embora Alvarado note que a tecnologia CF3D pode usar termoplásticos também. "Nossa competência central é que estamos pegando uma fibra contínua seca, e então a impregnamos com uma resina de cura instantânea — neste caso, UV-curável", ele diz. "Estamos realmente focados nesta abordagem termofixa de cura instantânea que permite a estrutura compósita tomar forma ali mesmo em formato livre, nos permitindo alavancar as propriedades anisotrópicas da fibra contínua, e criar estas geometrias orgânicas complexas que são extremamente leves e muito fortes. Podemos produzir um laminado compósito de altíssima qualidade com altíssimo teor de fibra e baixa porosidade."

As resinas líquidas N3xtDimension da Sartomer, parte da plataforma 3D Printing Solutions by Arkema recentemente lançada, em combinação com fibras estruturais variando de fibra de carbono e vidro a Dyneema e aramidas, provaram ser um casamento ideal, e as empresas estão agora trabalhando para desenvolver uma biblioteca de resinas UV-curáveis atendendo a uma gama de requisitos de propriedades mecânicas.

Vantagens da cura UV: velocidade e impressão sem suporte

Além das propriedades mecânicas das resinas, eliminar a necessidade de cura térmica nas peças finais permite duas das características mais inovadoras do CF3D: velocidades de impressão rápidas, e a capacidade de imprimir sem suporte em ar aberto. "Normalmente, quando você está laminando um compósito, você tem que ter ferramentas/moldes para suportar a laminação", diz Alvarado, "mas porque estamos usando termofixos de cura instantânea que são reforçados por um filamento estrutural, somos capazes de endurecer aquele material e ele pode tomar sua forma sem aquele material de suporte." Isso elimina o custo e prazo de entrega envolvidos na aquisição de moldes e ferramentas, e remove a restrição de design de ter que projetar em torno de ferramentas. "Agora você pode direcionar estas fibras em muitas direções... Ter a capacidade de imprimir sem suporte permite geometrias de overhang realmente únicas a cobrir grandes vãos", ele diz.

Além disso, CF3D "é uma máquina muito estável... e imprime significativamente mais rápido que máquinas termoplásticas tradicionais", diz Alvarado. Estas velocidades são possibilitadas pela eliminação de problemas como gerenciamento de gradientes de temperatura dentro do laminado e empenamento (devido ao uso de termofixos sobre termoplásticos), e que o sistema não é limitado por um processo de aquecimento (devido ao seu uso de cura por luz UV).

Existem duas variáveis para velocidade de impressão, ele adiciona: cura do material e precisão de impressão. "O problema não são as resinas; elas curam no tempo. A máquina é o gargalo", ele diz, notando que robôs como plataforma de movimento foram originalmente projetados para movimento repetido de pick-and-place ponto A a ponto B mas não necessariamente para a precisão envolvida em impressão 3D. "Nossa equipe na verdade desenvolveu nossa própria integração de um controlador CNC como controle de plataforma de movimento subjacente para nosso sistema de impressão 3D, para que possamos mover através de pontos com precisão e repetidamente, o que nos permite aumentar drasticamente a velocidade na qual estamos imprimindo agora", ele diz. Usando o controlador CNC, no próximo ano, a Continuous Composites planeja aumentar a velocidade de impressão do sistema até três vezes.

Como com qualquer inovação, porém, têm havido desafios associados com transferir tecnologia de resina UV-curável da Sartomer para aplicações estruturais e de alto desempenho, segundo Klang da Sartomer. Por exemplo, uma área de foco tem sido aumentar resistência à temperatura. "Estamos perto de 230°C", ele nota, "o que realmente nos coloca em alguns tipos de aplicações muito interessantes."

Jain da Arkema adiciona: "Com esta parceria, estamos trabalhando de baixo para cima, para mudar a forma que compósitos são fabricados. Isso não é trivial. Temos trabalhado juntos por quatro anos já, e estamos apenas começando."