Impresión 3D con Materiales Compuestos

Muestra de piezas de alta resistencia, incluidas rótulas, impresas en 3D a partir de nailon reforzado con fibra de carbono continua en el nuevo sistema industrial Mark Two de MarkForged. Imagen cortesía de MarkForged.

Hace apenas unos años cualquier artículo centrado en la impresión 3D con materiales compuestos era una pieza bastante breve. Ahora, el mismo tema podría ocupar una revista, dada la reciente ola de desarrollos de materiales y sistemas destinados a la impresión 3D de piezas más resistentes y ligeras.

Las piezas fabricadas con plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP) se han utilizado durante décadas debido a su alta relación resistencia-peso; También se utilizan ampliamente polímeros como el nailon y rellenos como la fibra de vidrio. Sin embargo, los procesos tradicionales de fabricación de compuestos a menudo implican laminación manual y requieren posprocesamiento, como esterilización en autoclave y moldeo al vacío. Estas tareas pueden exigir mayores habilidades y mayores costos que trabajar con plásticos o metales estándar. Debido a que los diseñadores siempre buscan materiales más resistentes para usar con sistemas de impresión 3D/fabricación aditiva (AM), no es de extrañar que este concepto de material esté recibiendo cada vez más atención. DE echa un vistazo a los sistemas y materiales de manipulación de compuestos AM que ya están disponibles o que estarán disponibles próximamente, así como a los esfuerzos en las áreas de apoyo.

Software para optimizar las propiedades de piezas impresas en 3D

Cuando se fundó Arevo Labs, “nuestra visión era producir piezas de producción [a partir de compuestos]”, dice Hemant Bheda, presidente de la empresa. Arevo Labs desarrolló una familia de filamentos compuestos de alta resistencia con una variedad de propiedades, pero eso resolvió solo una parte del problema. “La fabricación aditiva ofrece libertad para fabricar piezas de muchas maneras diferentes, incluso de 10.000 maneras”, señala Bheda, “pero ¿cuál es la mejor manera? Nos dimos cuenta de que necesitábamos alguna herramienta de software que predecira las propiedades para poder optimizar el diseño y la orientación; De lo contrario, estaríamos construyendo piezas a ciegas”.

Bheda dice que esto nunca se había hecho antes, pero ahora están desarrollando un producto llamado AFEA que hace precisamente eso. Este software, basado en un algoritmo de análisis de elementos finitos, se ejecuta en Windows, Mac y la nube, y ayudará a los ingenieros a controlar la orientación de la fibra mientras aprovechan la libertad de diseño única de AM. "Queremos que los ingenieros exploren los diseños, pregunten '¿puedo obtener esta propiedad final?' y hagan una pieza de prueba para confirmar los cálculos". Arevo Labs está trabajando con un conjunto de socios estratégicos para un lanzamiento inicial de software en el tercer trimestre de 2016.

La necesidad de un software de simulación/optimización es ampliamente reconocida para hacer viable la impresión 3D como verdadera fabricación: producir piezas con resultados deseados, predecibles y repetibles, ya sea de forma única o en volumen. Otras empresas, desde Avante Technology hasta SIMULIA de Dassault Systèmes, están abordando este desafío, así que estad atentos. –PJW

El A2V2 del fabricante italiano 3ntr es un sistema de fabricación de filamentos fundidos (FFF) cuyo amplio rango de temperatura de funcionamiento (hasta 410 °C) le permite utilizar varios tipos de filamentos compuestos, incluidos nailon/carbono y nailon/vidrio PA66. Con un volumen de impresión de 24,4x13,7x19,2 pulgadas, está dirigida a la producción industrial. Plural Additive Manufacturing lleva el sistema en EE.UU.

Cincinnati Incorporated (CI) ha sido noticia en los últimos años por su equipo de extrusión de fabricación aditiva de área grande (BAAM), que ha funcionado principalmente con materiales compuestos plásticos ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) reforzados con fibra de carbono. La compañía trabajó con Local Motors para imprimir en 3D tanto el automóvil Strati como la reproducción del Shelby Cobra, un puntapié inicial para una línea planificada de vehículos producidos localmente y diseñados por la comunidad. Según Matt Garbarino, gerente de marketing de CI, Local Motors ahora posee tres sistemas BAAM, incluido uno en la sede de Local Motors en Chandler, AZ, y otro que se está instalando en su microfábrica de National Harbor, MD. Garbarino dice que el ritmo de mejoras del sistema, materiales y software de programación es muy rápido en este momento; Otro de sus clientes, SABIC IP, dedica su máquina por completo al desarrollo de materiales. Para construir el vehículo Strati se utilizó el compuesto de fibra de carbono picada THERMOCOMP de SABIC.

Cosine Additive también opera en el espacio de fabricación aditiva FFF, pero aborda la necesidad de piezas de “tamaño mediano”. Fundada en 2013, la compañía incluso denomina a su sistema AM1 MAAM (una versión del BAAM de CI) que ofrece un volumen de construcción de 43 x 33 x 35 pulgadas. Andrew McCalip, CTO, afirmó que su compañía se enfoca específicamente en el mercado de moldeo y conformado: el AM1 El sistema está diseñado para producir herramientas basadas en compuestos para producir primeros artículos económicos. “Hemos encontrado un gran valor al combinar principalmente fibra de carbono (en policarbonatos); aumenta enormemente la rigidez del molde. Podemos utilizar menos material y aun así cumplir con los requisitos de deflexión del calor y los requisitos de presión de estos procesos de conformado”, explica.

McCalip dice que, en última instancia, sus formas se comparan con moldes de aluminio; con un contenido de fibra suficientemente alto, los moldes compuestos logran una rigidez y un rendimiento de compresión similares. La compañía es independiente de lo que fluye a través de las boquillas AM1, pero ha trabajado con nailon relleno de vidrio y está estudiando el uso de polifenilsulfuro (PPS) de mayor temperatura con mayor contenido de fibra de carbono como sustituto del Al 6061.

Después de causar un gran revuelo en la feria RAPID del año pasado, Impossible Objects continúa desarrollando su tecnología de fabricación aditiva basada en compuestos (CBAM) basada en un proceso de capas único. Se inyecta un fluido patentado de baja viscosidad siguiendo un patrón dirigido por CAD sobre láminas delgadas de fibra de carbono, Kevlar, fibra de vidrio u otro material de fibra. Se deposita un polvo termoplástico (por ejemplo, nailon PA12, polietileno de alta densidad, PEEK) y se adhiere justo a las zonas mojadas. El conjunto completo de capas se comprime y calienta, derritiendo el termoplástico y creando una parte completamente densa una vez que se elimina el exceso de material. Impossible Objects, que actualmente funciona como una oficina de servicios, está trabajando en un programa beta para máquinas de producción, promocionando la velocidad del proceso para crear piezas AM complejas y resistentes.

En marzo pasado, MarkForged, desarrollador de los primeros sistemas AM de filamentos de fibra compuesta continua, presentó el Mark Two, en sustitución del Mark One. Este modelo mejorado puede colocar fibra de carbono (junto con nailon) en volúmenes 15 veces más pequeños que el Mark One, produciendo piezas más pequeñas que son aún más fuertes y piezas más grandes que son más rígidas cerca de los bordes y esquinas, todo a una velocidad un 40% más rápida. El sistema Standard imprime con dos opciones de compuesto: fibra de vidrio y fibra de carbono; el modelo Professional también puede utilizar fibras continuas de Kevlar; y la versión Enterprise agrega la opción de nueva fibra de vidrio de alta resistencia y alta temperatura (HSHT). Este último es el primero de una serie de nuevos materiales que saldrán este año.

Greg Mark, fundador y presidente de MarkForged, dice que Mark Two cuenta con un nuevo cabezal de impresión, electrónica, software y mecanismo de accionamiento de acero inoxidable, monitoreo de telemetría opcional y otras mejoras destinadas a mantener a los clientes en funcionamiento cuando utilizan estos compuestos abrasivos y desafiantes. materiales. “Todo en [la Mark] Two está reforzado en comparación con el One, y en el kit Enterprise, todo [en el área del cabezal de impresión] está más reforzado que el resto”, señala.

Varias empresas tienen décadas de experiencia en el desarrollo de materiales compuestos de AM para sistemas AM de sinterización por láser (LS), como los de 3D Systems y EOS. Advanced Laser Materials (ALM), una subsidiaria de propiedad absoluta de EOS, continúa desarrollando plásticos sinterizados por láser, incluidas versiones de nailon PA11 (relleno de carbono o fibra de vidrio) y nailon PA12 (relleno de aluminio, esferas de vidrio o fibras de carbono, vidrio). , o minerales). CRP Technology es bien conocida por sus polvos Windform de alto rendimiento; La línea de productos incluye materiales a base de poliamida que ofrecen alta resistencia, alta rigidez, rendimiento impermeable/resistente al agua y/o flexibilidad. Y para los sistemas de estereolitografía (SLA), busque PerFORM de DSM Somos, una resina plástica cerámica que produce piezas rígidas, blanquecinas y resistentes a altas temperaturas, ideales para herramientas de inyección y aplicaciones de pruebas en túneles de viento.

De vuelta en el ámbito FFF, Arevo Labs de Santa Clara, CA, no solo ha desarrollado una familia de filamentos termoplásticos compuestos patentados, sino que también tiene en marcha una serie de proyectos relacionados. Actualmente están disponibles Katevo (PEEK/fibra de carbono de alta resistencia), Quantevo (PAEK/fibra de carbono o nanotubos de carbono) y Xanevo (PARA/vidrio). La empresa ve interés, por ejemplo, en la industria electrónica, porque los dispositivos de prueba fabricados con Quantevo con nanotubos de carbono proporcionan protección contra descargas electrostáticas (ESD), y en el campo médico, porque las piezas fabricadas con Xanevo, debido a su rigidez, pueden servir como Reemplazos económicos y de un solo uso para guías quirúrgicas metálicas.

“Estamos desarrollando compuestos a base de fibra continua que se anunciarán a finales de este año. Estos materiales, junto con nuestro software, permitirán imprimir en 3D grandes piezas aeroespaciales e industriales con una resistencia comparable a la del metal pero con un peso un tercio”, afirma Hemant Bheda, presidente de Arevo Labs. El año pasado, la empresa también empezó a ofrecer una plataforma de impresión 3D robótica de 6 ejes llave en mano; El objetivo final es definir un proceso de construcción que reoriente continuamente una pieza para evitar la necesidad de material de soporte.

Hace casi dos años, Avante Technology anunció su primer producto en una línea de materiales AM de grado de ingeniería, el filamento FilaOne GREEN Advanced Composite, diseñado para su uso en impresoras 3D de escritorio que ahorran costos. La compañía dice que este material patentado es más fuerte y resistente que el ABS y el PLA (ácido poliláctico), más seguro y más fácil de imprimir que el ABS o el nailon (sin desgasificación nociva) y no se ve afectado por la humedad. FilaOne GREEN imprime a 210 C y también se degradará en los vertederos.

La empresa ha presentado ahora FilaOne GREY, un filamento resistente pero flexible que también es hidrofóbico, imprime a 220°C y ha demostrado ser altamente resistente a los productos químicos. El presidente de Avante Technology, Bob Zollo, dice: “Una de las propiedades únicas de este material reforzado con nanotubos de carbono es su combinación de alta resistencia a la flexión con alta resiliencia; se recupera con mínimas grietas o grietas bajo cargas pesadas”. Y añade: “La industria necesita cientos de nuevos materiales y formulaciones. Estamos intentando desarrollar una línea de materiales que produzcan piezas "reales" en sistemas asequibles”. La empresa también comercializa hojas de adhesión a la plataforma de impresión optimizadas para cada uno de sus filamentos y el software de validación/reparación de archivos Emendo STL.

Graphene 3D Lab ha visto una respuesta muy positiva a sus materiales compuestos para impresión 3D. Una aplicación impresionante de su filamento de grafeno son los dispositivos interactivos táctiles capacitivos para mesas inteligentes Ideum, como los utilizados en la experiencia de cata de vinos guiada creada para JCB Tasting Salon en Yountville, CA; esto emplea bases capacitivas impresas en 3D en las copas de vino para activar pantallas de información cambiantes. Un ejemplo más relacionado con la ingeniería es un joystick o unidad de lápiz impreso en 3D que permite a los usuarios interactuar con archivos CAD 3D en pantallas Ideum. Los circuitos conductores y el blindaje EMI/RF son aplicaciones adicionales.

La compañía anunció recientemente un filamento de hierro/PLA que es conductor magnético, adecuado para fabricar interruptores, sensores y actuadores. Además, Graphene 3D Lab cuenta con varias divisiones que trabajan en una variedad de proyectos de tecnología avanzada dirigidos a impresoras 3D de próxima generación. “Fabricamos materiales avanzados para la impresión 3D y fuera de la impresión 3D. Para mantener la emoción y el desafío, no solo queremos crear objetos estáticos, sino llegar a un punto en el que podamos imprimir en 3D productos electrónicos, fuentes de luz, baterías, etc. No nos limitamos a los filamentos; Las futuras impresoras 3D combinarán diferentes técnicas”, afirma Elena Stolyarov, codirectora ejecutiva y presidenta de Graphene 3D Lab.

Por supuesto, Stratasys ofrece lo que se pueden considerar opciones de materiales compuestos, con su tecnología Connex3 PolyJet Digital Materials que crea piezas con diferentes propiedades en tiempo real durante una tirada de impresión. Pero si cree que conoce todos los enfoques posibles para la impresión 3D en general y el uso de compuestos en particular, es posible que deba pensarlo de nuevo.

Considere la empresa de implantes médicos Amedica de Salt Lake City, UT. En 2008, recibió la autorización 510(k) de la FDA para el primer dispositivo de fusión espinal fabricado con nitruro de silicio. La empresa se encuentra ahora en la primera fase de trabajo con este compuesto cerámico patentado en forma de suspensión, utilizando un proceso de deposición robótica (fabricación 3D) para crear otros implantes (por ejemplo, de columna, rodilla, cadera). Mike Houston, vicepresidente de Comercialización de Amedica, dice que el objetivo de la segunda fase del proyecto es generar piezas con mayor resolución, lo que les permitirá imprimir en 3D productos más finos, como implantes dentales. “Nuestra tercera fase es mejorar el proceso para fabricar implantes porosos de nitruro de silicio, y no sólo para aplicaciones ortopédicas. "Poder imprimir en 3D y personalizar un andamio reabsorbible para cirugía reconstructiva que soporte carga, sea respetuoso con los huesos y antibacteriano, estamos entusiasmados con lo que nos depara el futuro en ese ámbito", afirma.

Aeroprobe, con sede en Christiansburg, VA, está pasando de nueve tranquilos años de investigación y desarrollo a la fase de comercialización de su tecnología de deposición aditiva por fricción y agitación. La directora ejecutiva de la empresa, Nanci Hardwick, explica que este proceso, desarrollado en general hace unos 30 años, produce resultados similares a los de otros procesos de estado sólido. “Siempre que no estés derritiendo metales”, dice, “tiene beneficios. Las personas que desarrollan polvos metálicos saben que la solidificación rápida ofrece mayor resistencia; si lo derrites, pierdes esa fuerza”.

El sistema Aeroprobe admite la construcción de piezas realmente grandes con una alta tasa de deposición, alimentándose desde dos tolvas de material. La empresa ha trabajado con una amplia gama de materiales base como magnesio, aluminio, acero y aleaciones de níquel, además de materiales de refuerzo sólidos o en polvo como carburo de silicio, tungsteno, tantalio y niobio. Hardwick señala que se trata de un sistema abierto y su empresa trabajará con los clientes para optimizar las piezas en cuanto a resistencia o ductilidad. La cotización ya está en marcha.

Por último, otros dos programas de investigación de compuestos que vale la pena seguir implican la impresión 3D de una resina curada por UV que contiene microfibras de vidrio alineadas por ultrasonidos (Centro de Composites Avanzados para la Innovación y la Ciencia, Universidad de Bristol) y el desarrollo de pautas de diseño para AM con compuestos (pd|z Product Development Grupo ETH Zúrich).

Pamela Waterman trabajó como editora colaboradora de Digital Engineering durante dos décadas. Contáctela a través de .(JavaScript debe estar habilitado para ver esta dirección de correo electrónico).