Pioneirismo na Impressão 3D de Compósitos Anisotrópicos para Manufatura Aditiva Avançada

Fundada em 2014 pelo CEO Fedor Antonov, a Anisoprint (Esch-sur-Alzette, Luxemburgo) é uma das crescentes empresas de tecnologia avançando a impressão 3D de compósitos com fibra contínua. Ela prefere, no entanto, ser conhecida como pioneira em mover a manufatura aditiva (AM) de metais para compósitos.

"As propriedades direcionais dos compósitos são uma vantagem, não uma desvantagem," diz Antonov. "Compósitos unidirecionais de fibra de carbono são mais fortes e leves que metais. Manufatura convencional e AM baseada em metais consideram a anisotropia direcional dos compósitos como uma desvantagem que precisa ser mitigada. Mas a abordagem da Anisoprint explora essa anisotropia, orientando e colocando fibras para atender precisamente às cargas estruturais, reduzindo significativamente o peso da peça enquanto mantém alta resistência e rigidez."

Permitindo compósitos mais eficientes

Antonov aponta que a manufatura convencional de compósitos tipicamente usou práticas da indústria de metais, incluindo laminados quasi-isotrópicos, furos e fixadores mecânicos. "Estes anulam as vantagens de peso e desempenho dos compósitos," diz Antonov. "A tecnologia de anisoprinting fornece um método muito mais rápido e flexível, automatizado, para produção." Também oferece um modo de alcançar as estruturas mais eficientes agora sendo geradas por software de otimização topológica e design generativo.

"As estruturas mais eficientes da natureza, como árvores e ossos, exploram propriedades direcionais, orientando material de suporte de carga principalmente ao longo dos caminhos de carga," afirma Antonov. No entanto, esses tipos de estruturas otimizadas topologicamente são difíceis de produzir. Por exemplo, estruturas de treliça que permitiram adaptadores de carenagem de carga útil fortes e leves para espaçonaves, são tipicamente produzidas usando filament winding. No entanto, uma versão otimizada topologicamente, oferecendo economia de peso adicional de 30%, não é mais fácil de produzir com processos compósitos convencionais, nem com colocação automática de fibras (AFP) mais recente.

"Estruturas anisogrid convencionais de filament wound são alcançadas usando sulcos no ferramental, e fração de volume de fibra relativamente baixa nas nervuras permite intersecção delas," diz Antonov. "Esses tipos de estruturas anisogrid eram nosso objetivo original. Mas isso não funciona usando AFP porque seu conteúdo de volume de fibra é sempre constante, e intersecionar nervuras sem cortar as fibras ou variações locais de espessura não é possível."

(Nota: Para mais estudo sobre isso, veja https://www.researchgate.net/publication/321081593_Anisogrid_Payload_Adaptor_Structure_for_Vega_Launcher)

Direcionamento de fibra

Direcionamento de fibra é uma técnica atualmente aplicada à produção de compósitos usando AFP que permite que fibras sejam aplicadas em caminhos curvilíneos — AFP tradicionalmente usava caminhos lineares retos. O direcionamento de fibra permite que o caminho da fibra, e assim a resposta mecânica do painel compósito, seja otimizado para exibir desempenho maior que com laminados convencionais. Em um exemplo, esta abordagem produz um painel substrato compósito para um arranjo solar de espaçonave que tem uma primeira frequência natural 44% maior (minimiza amplitude de vibrações e permite amortecimento mais rápido) que um painel convencional equivalente com caminhos de fibra retos e a mesma massa. Alternativamente, um painel de menor peso poderia ser alcançado para o mesmo desempenho de frequência.

Direcionamento de fibra permite o design e manufatura de peças como painéis estruturais para satélites ou componentes de máquinas de alta velocidade com desempenho muito alto. É um processo repetível, alcançando alta qualidade consistente e permite designs inovadores. Também pode ser usado para reduzir peso para o mesmo design geométrico. FONTE | "Tecnologia de direcionamento de fibra para painéis compósitos avançados" (link original dado aqui mas não mais disponível via servidor esa-tec: https://www.esa-tec.eu/space-technologies/from-space/fibre-steering-technology-for-advanced-composite-panels/)

"Anisoprinting é uma combinação de estruturas de treliça e direcionamento de fibra usada para alcançar peças otimizadas topologicamente," diz Antonov. "Esta é uma tecnologia-chave para compósitos impressos. Por exemplo, como você constrói um painel de fuselagem para uma aeronave comercial que tem recortes ou furos?

 

Ele dá três técnicas diferentes, usadas para produzir amostras compósitos da mesma espessura e peso, cada uma com furos usinados CNC (veja tabela abaixo). Ele nota que em testes de compressão, a amostra feita com direcionamento de fibra tem uma carga de compressão final duas vezes maior que a de um compósito quasi-isotrópico ("alumínio preto") e 30% maior versus um laminado UD de rigidez constante. "Assim, direcionamento de fibra é uma ferramenta poderosa," diz Antonov. "Anisoprinting caminhará em direção ao direcionamento de fibra AFP à medida que aumentamos volume de fibra e produtividade, e AFP caminhará em nossa direção com mais flexibilidade."

A "flexibilidade" que Antonov se refere é uma medida de quão possível é colocar uma fibra ao longo de qualquer caminho no espaço tridimensional. A Arevo, outra empresa comercializando impressão 3D de fibra contínua, afirma ter esse tipo de flexibilidade. "A tecnologia da Arevo não é muito diferente comparada a empresas AFP como Coriolis, Automated Dynamics, Electroimpact, etc.," diz Antonov. "Eles meramente miniaturizaram e em vez de usar uma fita fina e larga usam uma grossa e estreita com cabeça AFP a laser. É tudo a mesma coisa." Note que a tecnologia de impressão 3D da Arevo tem sido baseada em robô desde o início. Como a tecnologia da Anisoprint mudará à medida que move para plataformas robóticas?

Exemplo de amostra compósito impressa em 3D pela Anisoprint usando direcionamento de fibra.

História da Anisoprint e abordagem TS-TP

Antonov e seus co-fundadores (Andrey Azarov, Alexey Khaziev, Mikhail Golubev e Zafer Gürdal) estavam em uma nova universidade na parte oeste de Moscou chamada Instituto de Ciência e Tecnologia de Skolkovo (Skoltech), estabelecido em 2011. Em 2014, Antonov estava trabalhando para construir o novo centro de tecnologia de compósitos da Skoltech e começou a desenvolver impressão 3D. O diretor do centro de compósitos na época era Zafer Gürdal, que saiu em 2015, retornando ao Centro McNair na Universidade da Carolina do Sul. Este último é agora conhecido por seu P&D em compósitos e impressão 3D de fibra contínua.

"Decidimos fazer spin-off da Skoltech quando Zafer Gürdal saiu," explica Antonov. "Tínhamos desenvolvido uma cabeça de impressão CFC protótipo no verão de 2015. Nosso próximo objetivo era desenvolver uma impressora desktop."

A Anisoprint introduziu sua impressora desktop Composer em 2017. Similar a impressoras de fibra contínua da Markforged, a Composer da Anisoprint usa dois bicos de impressão: um para o reforço de fibra contínua e outro para a matriz plástica. Abrigada em uma câmara de impressão de vidro, a mesa de impressão de vidro da Composer pode ser aquecida até 120°C, o que permite minimizar efeitos de contração. Atualmente está disponível em dois tamanhos:

• A3 (420 por 297 por 210 milímetros)
• A4 (297 por 210 por 147 milímetros)

Com diâmetro de bico padrão de 0,4 milímetros, a velocidade de impressão da Composer é citada como 10-80 mm/s sem reforço e 1-20 mm/s com reforço de fibra contínua. A Anisoprint pode extrudar muitos plásticos incluindo PLA, PETG, ABS, nylon e PC. Pode reforçar estes com seus materiais de fibra de carbono compósito (CCF) e recentemente lançou um material de impressão de fibra de basalto compósito (CBF).

No entanto, a Anisoprint é bem diferente de outras tecnologias de impressão 3D de fibra contínua porque primeiro impregna o reforço de fibra contínua com um polímero termofixo e então extruda isso no filamento termoplástico derretido durante a impressão. "Esta abordagem de duas matrizes garante baixa porosidade, boa adesão de fibra a polímero e excelentes propriedades mecânicas," afirma Antonov.

Ele continua, "O inventor do anisogrid de filament wound para o adaptador de carga útil do lançador Proton M, V.V. Vasiliev, que está em nosso conselho consultivo, na verdade mostrou que essa ideia de usar materiais de dupla matriz termofixo-termoplástico (TS-TP) tem benefícios sobre usar uma única matriz termofixa ou termoplástica. Materiais de matriz termofixa têm problemas com fragilidade, então a matriz começa a trincar muito antes da fibra falhar. Vasiliev provou que poderia mitigar isso com abordagem de dupla matriz."

O termofixo que a Anisoprint usa é um epóxi multi-componente e laminados impressos finais têm um teor de fibra de até 45% conforme testado pela Universidade Técnica de Munique (TUM).

Ofertas patenteadas da Anisoprint incluem:

Tecnologia de Co-extrusão de Fibra Compósito (CFC) para manufatura aditiva usando polímeros termoplásticos reforçados com fibras contínuas (ex: carbono, basalto) que são consolidados e curados em um processo automatizado de etapa única que não requer ferramental nem pós-processamento.

Software fatiador Aura que prepara modelos 3D para manufatura de peças usando impressora CFC Composer assim como impressoras FFF convencionais.

Impressora desktop Composer disponível em três tamanhos (A4, A3, A2).

PROM família de sistemas de impressão industriais com opções de robô e gantry, comercialmente disponíveis a partir de 2020.

Desenvolvimento robótico vs. desktop

"O robô tem uma cabeça de impressão diferente porque você precisa mover a cabeça para encaixar e alcançar espaços restritos durante a impressão," explica Antonov. "Em um plano 2D, isso não é problema. Mas no espaço 3D, você precisa colocar fibra onde já há alguma estrutura. A acessibilidade ideal é alcançada com uma agulha. Então, precisamos de um compromisso, uma cabeça de impressão mais parecida com agulha."

Ele nota outras diferenças, como controles industriais. "As impressoras desktop são baseadas em eletrônicos de consumo, como Arduino. Mas para sistemas robóticos maiores, você precisa de controle de movimento industrial e interfaces e todo tipo de garantia de qualidade in-situ, como medição a laser, que a Markforged tem em sua máquina maior. Você também precisa modificar sensores e controles de aquecimento/resfriamento." Ele adiciona que tudo isso leva tempo e recursos, e a prioridade nos últimos dois anos foi desenvolver a máquina desktop, mas agora estão trabalhando nos sistemas robóticos também.

Software: Aura

Antonov descreve o software da Anisoprint como flexível, permitindo tanto iniciantes quanto usuários avançados. "O software é fácil de usar, mas é importante que laboratórios de P&D tenham a capacidade de alterar parâmetros de impressão," ele explica. De fato, clientes incluem o instituto de pesquisa MFPA (Weimar, Alemanha), Brightlands Materials Center (Geleen, Países Baixos) e Universidade Técnica de Munique, bem como fabricantes incluindo Schunk Carbon Technology, Airbus e BMW.

A Anisoprint imprimiu em 3D peças de microsatélite compósitos com redução de peso de até 45% vs. metais leves.

Parcerias para soluções contínuas

A Anisoprint, que se autodenomina uma plataforma de materiais aberta, também está buscando desenvolver mais parcerias para novos materiais de impressão e peças. Em junho, anunciou um acordo com a Thought3D, baseada em Malta, para usar seus adesivos Magigoo. Estes colam a primeira camada de impressão à mesa, prevenindo descolamento da peça. "Má adesão da primeira camada é um dos problemas mais comuns que podem arruinar peças impressas, e não necessariamente no início da construção," explica Antonov. "Isso é especialmente importante para nosso sistema de materiais aberto, onde o cliente pode escolher entre diferentes tipos de termoplásticos. Cada um requer diferentes parâmetros de impressão e é por isso que introduzimos várias configurações de primeira camada em nosso software fatiador Aura. Isso também é por que incluiremos bastões Magigoo em cada caixa da Composer para garantir que nossos clientes tenham uma solução adequada em mãos para boa adesão da primeira camada."

Aplicações de anisoprinting

A Anisoprint diz que sua tecnologia pode ser aplicada em muitos campos, de aeroespacial a produtos de consumo e saúde. Um exemplo é um suporte de assento de aeronave que suporta 1,5 toneladas de carga com redução de peso de 40% versus alumínio. Com 100 tais fixações em um avião de corredor único médio, essa redução de peso pode somar economias significativas em combustível e custos operacionais totais.

Suporte de assento de aeronave impresso em 3D compósito pela Anisoprint atinge economia de 40% de peso vs. alumínio.

Outro caso é um pistão para formar potes de iogurte, usado em uma linha de produção de laticínios. Tais pistões são tipicamente feitos de poliamida usinada, mas substituir tais peças quando danificadas leva três meses, com a linha de produção parada durante a duração. A peça impressa por uma Composer da Anisoprint supostamente tem vida útil mais longa e reduz tempo de inatividade da linha de produção de 3 meses para 24 horas.

A Anisoprint atendeu aos requisitos para um componente de linha de produção de laticínios com seu pistão compósito impresso em 3D mas com tempo de substituição drasticamente reduzido.

"Anisoprinting permite o design e produção de estruturas compósitos ótimas através de co-extrusão de fibra compósito," diz Antonov. "Polímeros termoplásticos são reforçados com fibras contínuas, consolidados e curados dentro de um processo único, totalmente automatizado, sem pós-processamento necessário. Como resultado, obtemos peças que são várias vezes mais fortes, leves e baratas que metais e plásticos tradicionais e superiores também a compósitos convencionais."