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Die Anpassung von Additiven in Verbundwerkstoffen kann die Eigenschaften von 3D-gedruckten Teilen verbessern

Von Kevlarfasern bis hin zu Kunstholzböden gibt es überall Verbundwerkstoffe. Sie sind stark, formstabil, verschleißfest und korrosionsbeständig.

Obwohl Flugzeugrümpfe normalerweise aus abwechselnden Schichten von Verbundstoff und Epoxid bestehen, bestehen die meisten aus thermoplastischen Kunststoffen, die mit Kohlefaser, Glasfüllstoff oder Metallpulver verstärkt sind. Die endgültige Struktur ist sehr stark und leicht.

Die Herstellung dieser Strukturen ist jedoch eine Herausforderung. Der manuelle Prozess ist zeitaufwändig und erfordert viel Geschick. Daher sind automatisierte Verfahren effizienter, erfordern jedoch eine hohe Investition in komplexe und schwer skalierbare Maschinen.

Für kleinere Teile hat sich der 3D-Druck als praktikable Option erwiesen, aber technische Hindernisse haben seine weit verbreitete Einführung verhindert. Eines der Probleme ist, dass die funktionellen Additive (Partikel und Verstärkungsfasern) während des Bauprozesses agglomerieren und sich absetzen. Darüber hinaus ist es auf herkömmlichen 3D-Druckern fast unmöglich, eine Faserausrichtung zu erreichen.

Niederschlag stoppen

Fortify hat den 3D-Drucker Flux One entwickelt, der die Probleme beim Drucken von Verbundteilen löst. Das in Boston ansässige Startup nennt seinen Prozess „Digital Composite Manufacturing (DCM).“

Ben Arnold, Vice President of Business Development bei Fortify, sagte, dass die wichtigste dieser Technologien das kontinuierliche kinetische Mischen (CKM) ist. Durch Mischen des lichtempfindlichen Polymerharzes des Systems mit funktionellen Additiven, kontinuierliches Zirkulieren und in einigen Fällen Erhitzen der resultierenden Mischung während des gesamten Druckprozesses können Agglomeration und Ausfällung verhindert werden.

Zu diesen Additiven zählen Metallflocken, Kohlefasern oder Keramikfasern sowie Flammschutzmittel. Jedes Additiv hat ideale Eigenschaften. Ohne CKM wären diese Eigenschaften schwer zu nutzen. Noch wichtiger ist, dass diese Eigenschaften während des gesamten Bauprozesses konsistent sind. Eine von Fortify-CEO und Mitbegründer Josh Martin vorgeschlagene Eigenschaft fehlt in vielen 3D-Drucker-Designs.

Er sagte: „Bei einem herkömmlichen 3D-Drucker kann es innerhalb weniger Minuten zu Niederschlägen kommen, sodass sich die physikalischen Eigenschaften des Bodens von denen des Bodens unterscheiden.“ Die Lösung besteht normalerweise darin, möglichst kleine Additivpartikel zu verwenden, dies schränkt jedoch oft die funktionalen Eigenschaften von gedruckten Teilen ein. CKM eliminiert all dies und öffnet die Tür für den Einsatz von schwereren Additiven und höheren Konzentrationen von Additiven, während gleichzeitig konstante Materialeigenschaften erreicht werden. “

Arnold fügte hinzu, dass Fortify auch Schritte unternommen hat, um die Haftung von Additiven am Basisharz zu fördern. „Wir tun dies, indem wir Additive chemisch behandeln, damit sie sich gut mit dem Harz verbinden und sie unter geeigneten Bedingungen magnetisch reagieren.“

Die Anpassung von Additiven in Verbundwerkstoffen kann die Eigenschaften von 3D-gedruckten Teilen verbessern

Zeit einfrieren

Magnetische Induktion ist der zweite Teil des DCM-Problems. Während CKM eine konsistente Faserverteilung während des gesamten Bauprozesses gewährleistet, sorgt die Fluxprint-Technologie von Fortify für eine selektive Ausrichtung dieser Fasern, sodass sie zwischen den Schichten verzahnt und um die Last gewickelt werden können.Lager Geometrie.

Fluxprint erreicht dies durch die Einführung eines Magnetfelds im gesamten Baubereich, wodurch die Fasern im Wesentlichen lange genug „in einem Zustand der Besorgnis“ gehalten werden, damit UV-Licht sie und das umgebende Harz „einfrieren“ kann. Dieser Prozess wird in aufeinanderfolgenden Schichten wiederholt, um schließlich Teile mit verbesserter Festigkeit, thermischen Eigenschaften oder elektrischer Leitfähigkeit in Bereichen herzustellen, in denen solche Eigenschaften erforderlich sind.

Martin sagte: „Dieser selektive Vergleich hat einige spannende Anwendungen.“ „Erwägen Sie die Verwendung von 3D-gedruckten Einsätzen für Kunststoffspritzgussformen. Sie können die Fasern ausrichten, um das Brechen dünner Teile zu verhindern, und wenn Sie die gesamte Form drucken möchten, können Sie das Teil um den Angusskanal verstärken, um die Verschleißfestigkeit zu verbessern.

Martin sagte: „Andererseits können Sie mit Fluxprint abnehmbare Stützen programmieren, die viel einfacher sind als solche, die mit herkömmlicher 3D-Drucktechnologie hergestellt werden.“

Bewegung

Seit seiner Gründung im Jahr 2016 hat Fortify mehrere Testsysteme bereitgestellt. Bis Ende dieses Jahres sollen etwa ein Dutzend eingesetzt werden. Bisherige Anwendungen umfassen Kunststoffspritzgussformen und -einsätze, elektrostatische Montage Armaturen, Komponenten für medizinische Geräte und proprietäre Technologien. Aufgrund von Vertraulichkeitsvereinbarungen kann Martin diese proprietären Technologien nicht frei diskutieren.

Er sagte: „Da wir während des gesamten Bauprozesses über eine Kontrolle auf Voxel-Ebene verfügen und über eine breite Palette von Materialien mit verbesserten elektrischen und mechanischen Eigenschaften verfügen, erwarten wir, dass unsere Technologie in vielen Branchen weit verbreitet ist.“ „Wenn Sie beispielsweise in einem bestimmten Bereich eine höhere Wärmeleitfähigkeit haben möchten, müssen Sie nur die Richtung der Faser ändern. Wir haben auch großes Interesse von Unternehmen in den Bereichen HF (Radiofrequenz) und Mikrowellen gesehen, und diese Unternehmen erwarten, dass sie unsere Technologie einsetzen, um die erforderlichen Eigenschaften zu erhalten, anstatt die traditionelle Methode der Montage von Teilen aus vielen verschiedenen Materialien.“

Es gibt jedoch einen Haken: Das Ausrichten jedes Voxels ist sehr zeitaufwändig. Dieses Maß an Kontrolle zu haben ist eine Art „Segen und Fluch“. „Eine der besten Möglichkeiten, es zu verwenden, besteht darin, die Finite-Elemente-Analyse und ähnliche Engineering-Tools zu verwenden, um die Spannungspositionen im CAD-Modell zu identifizieren und nur diese Bereiche zu verstärken.“ Anschließend kann der Benutzer den Rand des Werkstücks mit einfachen Schraffurlinien ausfüllen.

Arnold sagte, dass CKM mit dieser Methode „sicherstellen kann, dass die Materialeigenschaften des gesamten Teils konsistent sind und Fluxprint eine optimierte Mikrostruktur dort bietet, wo sie am meisten benötigt wird.“

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