Avançando a Impressão 3D: Manufatura de Compósitos Reforçados com Fibra Contínua

CW escreve sobre compósitos impressos em 3D com fibra contínua desde 2014, quando a MarkForged lançou a impressora Mark One na conferência SolidWorks World (26-29 jan 2014). Então cobrimos a Arevo e seu desenvolvimento de impressão multi-eixo usando fibra contínua, incluindo na direção z e ao longo de contornos via braço robótico. Este ano, escrevemos sobre a Orbital Composites e seu trabalho com o Centro de Tecnologia de Compósitos na impressão de compósitos de fibra contínua.

No entanto, há uma empresa que imprime em compósitos contínuos desde 2012. CW na verdade publicou uma breve barra lateral sobre Continuous Composites (Coeur D'Alene, ID, EUA) em jan 2017 mas suas conquistas merecem uma discussão mais longa:

• Impressão em três dimensões com qualquer fibra contínua incluindo aramida, vidro (GF) e fibra de carbono (CF), cobre, fio de niquelo e fibra óptica.
• Usa resinas termofixas de cura UV para permitir impressão de alta velocidade e impressão sem suporte no espaço.
• Permite manufatura de compósitos sem molde, fora de autoclave e otimização de caminho de carga
• Demonstrou na AutoDesk University 2017 um leme impresso em 3D, multimaterial (casca CF picado/ABS, armações de GF/epóxi contínuo) completo com fibra óptica impressa que pode sentir e comunicar mudanças em temperatura, pressão, aceleração e condutividade elétrica.

CF3D

"Estamos combinando o poder de materiais compósitos com um processo de impressão 3D usando robótica avançada", diz o CEO da Continuous Composites, Tyler Alvarado. A empresa registrou sua Impressão 3D de Fibra Contínua como CF3D. "O CF3D impregna a fibra dentro do cabeçote e cura imediatamente após deposição do material", ele explica. "Não somos limitados a impressão via fatias 2D então podemos aproveitar totalmente as propriedades anisotrópicas de materiais compósitos orientando fibras discretamente em todas as direções."

Alvarado nota que também é possível ajustar resinas termofixas para cada aplicação do cliente, por exemplo, aumentando módulo, ou alternativamente, tenacidade, ou mesmo propriedades de resistência ao fogo. O CF3D também é adequado para impressão com resinas termoplásticas e a Continuous Composites demonstrou impressão com materiais termofixos e termoplásticos na mesma estrutura.

"Estamos alcançando 50-60% de volume de fibra", diz Alvarado, que adiciona que variável compactação do laminado impresso foi incorporada no cabeçote de impressão. "Quando estamos imprimindo uma estrutura no espaço livre, não estamos compactando contra uma ferramenta, então a consolidação é diferente. O primeiro caminho para uma estrutura não tem suporte, e portanto, precisa de pouca pressão porque não há nada para pressionar contra. Camadas subsequentes, no entanto, podem ter pressão aplicada para compactação."

Em 2016 e 2017, a Continuous Composites construiu uma célula de manufatura robótica com controle de movimento aumentado e volume de construção. Como com toda impressão 3D, software gera o código para movimento da máquina. No entanto, como geração de caminho de ferramenta é muito diferente no CF3D, a Continuous Composites está desenvolvendo seu próprio software. "Soluções prontas não funcionam para geração de caminho de ferramenta de fibra contínua pois não estamos mais limitados a empilhar fatias 2D", Alvarado explica. O software CF3D também automatiza luzes UV para cura de resina, corte do filamento de impressão quando necessário e controle de pressão de compactação.

"O novo cabeçote de impressão que desenvolvemos é muito mais ativo", diz Alvarado. "Nosso novo efetor final tem tensionamento adaptativo e controle dinâmico de entrega de resina."

Alvarado diz que o CF3D pode imprimir 16 tows de largura usando tow de carbono 12K e resina epóxi. Produziu amostras de 3 camadas de espessura com menos de 1% de porosidade e resistência à tração média de 111 ksi. Este teste mecânico foi feito como parte de um projeto de 2017 para um contratante do Depto. de Defesa dos EUA. "Estamos continuando a melhorar e esperamos exceder 200 ksi em breve", Alvarado afirma. "Também completamos testes de fogo, fumaça e toxicidade (FST) para aplicações de interiores aeroespaciais", ele adiciona.

Estruturas sensoriais

A tecnologia CF3D facilita impressão de estruturas compósitos multifuncionais. Por exemplo: fio de cobre contínuo pode ser impresso para alimentar eletrônicos, fio de niquelo contínuo pode ser impresso para embutir calor para aplicações anti-gelo ou fibra óptica contínua pode ser impressa para monitoramento de saúde estrutural (SHM) em tempo real e otimização de desempenho de uma estrutura compósito.

A Continuous Composites imprimiu o aerofólio demo acima em 2017 incluindo:

• Contínuo armações de suporte de fibra de vidro impressas sem suporte do topo ao fundo do aerofólio.
• Contínuo fio de cobre alimentando LEDs na borda de ataque.
• Fio de niquelo para anti-gelo na borda de ataque.
• Fibra óptica na pele superior que pode ser usada para coletar dados.

Em nov 2017, Continuous Composites, Form Forge (Portland, OR, EUA) e AutoDesk colaboraram para produzir um leme compósito sensor como parte da exposição "Making Waves" com Livrea Yacht (Palermo, Itália) na conferência anual AutoDesk University.

O leme tinha aproximadamente 1,37 m de altura, impresso com 20% ABS reforçado com fibra de carbono picado (acrilonitrila butadieno estireno) termoplástico para a casca ou pele, e fibra de vidro contínua para os suportes estruturais de treliça. A equipe também imprimiu fibra óptica avançada no leme.

O leme acabado foi exibido no estande na AutoDesk U. "Deixamos a audiência tocá-lo, e os sensores do leme coletaram 5 Gigabytes de dados em 2 dias, rastreando temperatura, aceleração e mudanças de tensão", Alvarado relata. "Ao embutir esta funcionalidade, podemos coletar e analisar o desempenho da estrutura para monitoramento de saúde em tempo real e otimização de desempenho."

Pense por um minuto, o leme e foils do seu iate de corrida podem agora alimentar dados reais de volta à sua análise de dinâmica de fluidos computacional (CFD) e software de design para otimizar inteligentemente o design da estrutura individual e desempenho geral do barco. E, claro, o leme e foils poderiam ser estruturas de aeronaves ou automotivas.

"Queríamos demonstrar nossa capacidade de combinar tecnologia CF3D com múltiplos materiais e múltiplos modos de manufatura aditiva em uma célula", diz Alvarado. Ele nota a flexibilidade para ajustar resinas termofixas também foi demonstrada modificando a resina usada com a fibra contínua para aderir ao fibra picada/ABS.

O Futuro da Manufatura

A Continuous Composites é ousada em sua visão futura para CF3D. Vê a tecnologia como habilitando manufatura local e um renascimento na manufatura americana, mas também um caminho para processos de produção mais sustentáveis. "Nossa tecnologia resolve muitos problemas encontrados em métodos tradicionais de manufatura de compósitos", diz Alvarado. "Automatizamos a colocação de fibra em todas as direções, abrindo possibilidades de design bem como eliminando a necessidade de moldes caros, autoclaves e fornos." Ele adiciona que ao remover estas restrições, o CF3D pode combinar múltiplos componentes em uma única peça impressa e embutir funcionalidade, tudo em um único processo de manufatura. "Nossa tecnologia é um novo método de manufatura emergente que irá disruptar muitas indústrias."

Alvarado diz que a Continuous Composites está trabalhando com uma variedade de empresas para desenvolver um ecossistema de tecnologia incluindo OEMs, fornecedores de máquinas, integradores de robótica, fornecedores de materiais e empresas de software. "Temos 7 patentes concedidas com 76 aplicações de patente não-provisórias pendentes e 11 aplicações de patente provisórias adicionais pendentes, cobrindo mais de 250 conceitos patenteados e patente pendentes. Estamos continuando a desenvolver nossa tecnologia e buscando implantar nossa tecnologia em empresas de todas as indústrias, incluindo aeroespacial, automotiva, defesa, construção, etc."