Compósitos Impressos em 3D com Ultra-Alto Teor de Fibra: 60% Fibra & <1% Vazios

"Nosso objetivo principal é produzir compósitos estruturais de fibra contínua para a indústria", diz Giovanni Cavolina, co-fundador da 9T Labs (Zurique, Suíça). "Se você conversar com pessoas que fabricam peças de PRFC (polímero reforçado com fibra de carbono), a maioria não acredita que seja possível alcançar teor de vazios super-baixo ou boa resistência ao cisalhamento interlaminar (ILSS) entre camadas com impressão 3D de fibra contínua." A 9T Labs, no entanto, desenvolveu um pós-processo patenteado que elimina vazios. "Agora podemos imprimir em 3D compósitos de fibra contínua com excelente adesão entre camadas e teor de vazios abaixo de 1 por cento, o que compete com compósitos fabricados convencionalmente."

Início na ETH Zurich

A 9T Labs começou com um projeto de pesquisa no Laboratório de Materiais Compósitos e Estruturas Adaptativas (CMAS) no Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique (ETH Zurich). Cavolina e os co-fundadores da 9T Labs, Martin Eichenhofer e Chester Houwink, desenvolveram um cabeçote de impressão de compósitos, "que montamos em um braço robótico e fizemos núcleos de treliça ultra-leves para estruturas sanduíche, visando aplicações aeroespaciais", explica Cavolina.

O CarbonKit foi um produto de lançamento limitado que permitia impressoras FDM prontas a usar fibra de carbono contínua, mas ainda não era a solução certa para produzir peças estruturais de PRFC industriais competitivas em custo. FONTE | 9T Labs.

CarbonKit

Assim, a 9T Labs foi estabelecida no início de 2018 para provar o conceito de impressão 3D de laminados PRFC monolíticos que pudessem atender requisitos potenciais de clientes. "Nosso próximo passo foi o CarbonKit", diz Cavolina. Este é o produto apresentado no artigo da CW de março de 2019 "Movendo a impressão 3D de fibra contínua para a produção". O CarbonKit transforma impressoras 3D Ultimaker ou Prusa em um sistema capaz de imprimir com fibra de carbono contínua. "Permite que você use suas impressoras existentes em combinação com nosso cabeçote de impressão, filamentos e software para colocar fibras contínuas, de acordo com o caso de carga, com 50 por cento de teor de volume de fibra de carbono — não 30 por cento, que tem sido a norma na impressão 3D de PRFC", ele adiciona.

Cavolina explica que embora o interesse neste produto fosse bastante grande, "fornecemos apenas 25 clientes. Mantivemos este produto limitado porque percebemos que com apenas um processo FDM [modelagem por deposição fundida] de uma etapa, não é possível alcançar peças de uso final estruturais para aplicações aeroespaciais industriais que também sejam competitivas em custo com tecnologias atuais."

No entanto, através do CarbonKit, a 9T Labs estabeleceu valiosos relacionamentos com clientes. "Fomos capazes de aprender o que as empresas esperavam e precisavam, mesmo que estas peças não fossem realmente possíveis de produzir com o CarbonKit", ele explica. "Consolidação in-situ é de fato possível com FDM, mas exigiria máquinas muito mais complexas que são proibitivas em custo. Então, produzimos um processo de 2 etapas com pós-consolidação de impressão."

Com a Red Series, a 9T Labs alcançou estruturas de PRFC impressas em 3D com >50% de volume de fibra e <1% de vazios a custo acessível vs. métodos atuais de produção de compósitos. FONTE | 9T Labs.

Red Series, processo de 2 etapas

Isso nos leva a onde a 9T Labs está hoje. "Estamos comercializando a Red Series, que compreende duas unidades: uma unidade clássica de impressão FDM com cabeçote de impressão patenteado e uma unidade Fusion adjacente para pós-processamento", explica Cavolina. "Não alcançamos consolidação in-situ completa durante a impressão, mas imprimimos e depois consolidamos em um segundo processo. Em essência, estamos imprimindo um pré-forma que é colocada na Unidade Fusion para pós-consolidação usando alta temperatura e pressão para alcançar mais de 50 por cento de teor de volume de fibra com menos de 1 por cento de vazios. Este processo de 2 etapas alcança qualidade aeroespacial a custo acessível."

A Red Series usa materiais termoplásticos, por enquanto. "Imprimimos fibra de carbono com PEI, PEKK, PA (nylon) e temos experiência com PP também", diz Cavolina. A Red Series é um sistema de materiais aberto? "A única maneira de ser competitivo em custo é usar materiais existentes com um novo processo de manufatura", ele explica. "Se você criar seu próprio material do zero, exclui a capacidade de entrar em manufatura em série. Por razões de segurança e confiabilidade da cadeia de suprimentos, fabricantes em série não dependerão de uma pequena empresa para seus materiais. Então, deixamos nossos clientes usarem seu suprimento de materiais existente, garantindo que os materiais funcionem em nosso sistema." Ele explica que a 9T Labs testa os materiais para garantir que a matéria-prima cumpra certos requisitos e determina os melhores parâmetros para impressão.

E quanto a software aberto? "Nosso software de impressão é combinado com um software de simulação estrutural", diz Cavolina. "É ótimo como engenheiro colocar fibras onde necessário, mas como você pode ter certeza que este é de fato onde elas devem ser colocadas? Nosso software dá a liberdade de projetar e depois verificar cruzadamente com uma simulação estrutural. A outra direção é definir um layup orientado a fibras em uma simulação estrutural e então convertê-lo em um caminho de impressão em nosso software. Usamos um parceiro existente, bem testado e bem conhecido para o FEA que roda em segundo plano. Você também pode projetar diretamente uma peça em CAD e então carregar aquele arquivo em nosso programa. Lá, você decide onde quer a fibra de carbono e onde polímero puro é suficiente."

Este suporte e braço de balancim de PRFC para aplicações não aeroespaciais na verdade atendem requisitos de laminado aeroespacial e apresentam mais de 40 camadas — cada camada com uma orientação de fibra diferente para explorar anisotropia e otimizar peças estruturais não possível anteriormente. FONTE | 9T Labs.

Aplicações

A 9T Labs está perseguindo aeroespacial (interiores, por enquanto), biomédico e automação industrial (ex: máquinas de embalagem), bem como lazer/luxo (ex: automobilismo, tênis esportivos, óculos). Este último mercado, diz Cavolina, "é onde você precisa ter compósitos estruturais, mas os requisitos não são tão rigorosos como no aeroespacial." Ele cita o braço de balancim mostrado acima. "Este é um suporte para uma estrutura não aeroespacial que representa uma aplicação estrutural que você pode produzir de forma otimizada usando nossa tecnologia", ele explica. "Vem de uma peça de alumínio que foi topologicamente otimizada para economizar peso orientando fibras de carbono de acordo com o caso de carga. Você pode economizar custo porque pode reduzir a quantidade de fibra de carbono usada versus outros processos de compósitos. Você não pode fazê-lo por outros meios porque não é possível com outros métodos orientar cada fibra como você precisa em alta resolução."

Quatro layups diferentes de fibra de carbono contínua são alternados ao longo da espessura do suporte de PRFC impresso com a Red Series da 9T Labs. FONTE | 9T Labs.

Cavolina nota que este braço de balancim compreende mais de 40 camadas de fibra e polímero, "e podemos ter orientações de fibra diferentes em cada camada. Tentamos quatro layups diferentes, não restritos a quasi-isotrópico. Esta liberdade nos permite explorar a anisotropia de compósitos para otimizar ainda mais a estrutura de uso final. Não seria possível fazer isso com outros métodos de manufatura atuais."

Ele também aponta que a impressão 3D de PRFC é um processo automatizado comparado a laminação manual. "Nossa tecnologia reduz drasticamente trabalho manual via laminação automatizada", diz Cavolina. "Com nossa tecnologia, você apenas imprime, consolida e pronto."

A Red Series imprime pré-formas monolíticas de PRFC menores e complexas que são então consolidadas em uma segunda etapa para produção em série industrial escalável. FONTE | 9T Labs.

Tamanho de impressão, velocidade e lançamento completo da Red Series

A Red Series visa peças monolíticas menores para manufatura em série dentro de uma área de impressão de 350 milímetros por 300 milímetros. "Aqui vemos no momento o maior valor agregado para nossos clientes", explica Cavolina.

E quanto à velocidade de impressão? "Estamos falando de uma maneira muito concreta sobre produzir nos próximos 1-2 anos 4.000 a 8.000 peças por ano para diferentes clientes, alcançado com as unidades gêmeas da Red Series", diz Cavolina. "Porque desacoplamos a produção de pré-formas complexas e detalhadas da consolidação, agora é possível aumentar o volume de produção rapidamente."

"Gastamos muito tempo analisando a estrutura de custo do nosso processo, incluindo equipamento, mão de obra e custos de material", ele responde. "Temos uma estrutura de custo de equipamento acessível e automatizamos o processo de pré-formação. Usamos materiais que são os mais acessíveis e eficientes, e então reduzimos a quantidade de material requerida orientando as fibras conforme o caso de carga e usando otimização estrutural. Trabalhamos de perto com nossos parceiros em simulação de processo e estrutural e vemos que continuará a crescer como grande parte da meta de produção de usar tecnologia de gêmeo digital para permitir plug and play com linhas e células de produção 4.0."

A Red Series será lançada em 2020. "Agora, estamos avaliando através de nossos programas de colaboração com parceiros de produção. Certificamos as peças e processos com eles, então eles reservaram os primeiros slots para máquinas Red Series e usarão estas para fabricar seus produtos de uso final."