Faire progresser la fabrication additive pour exploiter l'anisotropie: CompositesWorld – Bien choisir son serveur d impression

Fondé en 2014 par le PDG Fedor Antonov, Anisoprint (Esch-sur-Alzette, Luxembourg) fait partie du nombre croissant d’entreprises technologiques qui font progresser l’impression 3D de composites avec fibre continue. Il préfère cependant être reconnu comme un pionnier du déménagement. fabrication additive (AM) loin des métaux aux composites.

«Les propriétés directionnelles des composites sont un avantage et non un inconvénient», déclare Antonov. «Les composites unidirectionnels en fibre de carbone sont plus solides et plus légers que les métaux. L’anisotropie directionnelle des composites dans les industries manufacturières classiques et à base de métaux est un inconvénient qui doit être atténué. Mais l’approche d’Anisoprint exploite cette anisotropie en orientant et en plaçant les fibres de manière à répondre précisément aux charges structurelles, en réduisant considérablement le poids des pièces tout en conservant une résistance et une rigidité élevées. ”

Permettre des composites plus efficaces

Antonov souligne que la fabrication de composites conventionnels a généralement utilisé les pratiques de l'industrie des métaux, notamment les stratifiés quasi-isotropes, les trous de forage et les fixations mécaniques. "Celles-ci annuler le poids et performance des composites », dit Antonov. "La technologie Anisoprinting fournit une méthode de production automatisée beaucoup plus rapide et plus flexible." Elle offre également un moyen de réaliser les structures plus efficaces actuellement générées par optimisation de la topologie et conception générative Logiciel.

«Les structures les plus efficaces de Natures, comme les arbres et les os, exploitent les propriétés directionnelles, orientant les matériaux porteurs principalement le long des chemins de charge», affirme Antonov. Cependant, ces types de structures optimisées pour la topologie sont difficiles à produire. Par exemple, les structures en treillis qui ont permis des adaptateurs de carénage à charge utile robustes et légers pour engins spatiaux sont généralement produites à l'aide d'un enroulement filamentaire. Cependant, un version optimisée pour la topologie, offrant un 30% supplémentaires d'économie de poids, n'est plus facile à produire avec les procédés composites conventionnels, ni avec le placement de fibre automatisé (AFP) plus récent.

«Les structures conventionnelles enroulées de filaments d'anisogrille sont réalisées à l'aide de rainures dans l'outillage, et une fraction volumique de fibres relativement faible dans les nervures permet de les croiser», explique Antonov. «Ces types de structures anisogrid étaient notre objectif initial. Mais cela ne fonctionne pas avec AFP car votre volume de fibres est toujours constant et il est impossible de croiser les nervures sans couper les fibres ni modifier localement l'épaisseur. ”

(Remarque: pour plus d’études à ce sujet, voir https://www.researchgate.net/publication/321081593_Anisogrid_Payload_Adaptor_Structure_for_Vega_Launcher)

Direction par fibre

Le guidage par fibres optiques est une technique actuellement appliquée à la production de composites utilisant l'AFP, qui permet d'appliquer des fibres dans des trajectoires curvilignes. AFP utilise traditionnellement des trajectoires linéaires. Le guidage par fibres permet d'optimiser le chemin des fibres, et donc la réponse mécanique du panneau composite, afin d'obtenir des performances supérieures à celles des stratifiés classiques. Dans un exemple, cette approche produit un panneau de substrat composite pour un panneau solaire de véhicule spatial qui présente une première fréquence propre supérieure de 44% (minimise l’amplitude des vibrations et permet un amortissement plus rapide) qu’un panneau conventionnel équivalent avec des chemins de fibres rectilignes et de même masse. Alternativement, un panneau de poids inférieur pourrait être obtenu pour la même performance de fréquence.

Le guidage par fibres optiques permet la conception et la fabrication de pièces telles que des panneaux structurels pour satellites ou des composants de machines à grande vitesse à très hautes performances. C'est un processus reproductible, qui permet d'obtenir une qualité élevée et constante et qui permet de nouvelles conceptions innovantes. Il peut également être utilisé pour réduire le poids pour le même dessin géométrique. SOURCE | “Technologie Fiber-Steering pour panneaux composites avancés” (le lien original est donné ici mais n'est plus disponible via le serveur esa-tec: http://www.esa-tec.eu/space-technologies/from-space/fibre-steering -technologie-pour-panneaux-composites avancés /)

«L’anisoprinting est une combinaison de structures en réseau et de guidage de fibres utilisée pour obtenir des pièces optimisées pour la topologie», déclare Antonov. «Il s’agit d’une technologie clé pour les composites imprimés. Par exemple, comment construisez-vous un panneau de fuselage pour un avion commercial avec des découpes ou des trous?

Il donne trois techniques différentes, qui sont utilisées pour produire des échantillons composites de même épaisseur et de même poids, chacun avec des trous usinés CNC (voir tableau ci-dessous). Il note que dans les essais de compression, l’échantillon constitué d’une fibre de direction présente une charge de compression ultime deux fois supérieure à celle d’un composite quasi isotrope («aluminium noir») et 30% plus élevée que celle d’un stratifié UD à rigidité constante. «La fibre optique est donc un outil puissant», déclare Antonov. “Anisoprinting Nous augmenterons le volume et la productivité de la fibre et nous nous dirigerons vers la fibre optique AFP. AFP se dirigera vers nous avec plus de flexibilité.

La «flexibilité» à laquelle Anotov fait référence est une mesure de la possibilité de placer une fibre le long d'un chemin quelconque dans un espace tridimensionnel. Arevo, une autre société qui commercialise l’impression 3D à fibres continues, affirme disposer de ce type de flexibilité. «La technologie d’Arevo n’est pas très différente de celle d’AFP telles que Coriolis, Automated Dynamics, Electroimpact, etc.», explique Antonov. «Ils l'ont simplement miniaturisée et au lieu d'utiliser un ruban mince et large, ils ont utilisé un ruban épais et étroit avec une tête AFP laser. C’est la même chose. »Notez que la technologie d’impression 3D d’Arevo repose depuis le début sur des robots. Comment la technologie d’Anisoprint va-t-elle changer à mesure qu’elle passe aux plates-formes robotiques?

Exemple d’échantillon composite imprimé en 3D Anisoprint utilisant le guidage par fibre.

Histoire d’Anisoprint et approche TS-TP

Antonov et ses cofondateurs (Andrey Azarov, Alexey Khaziev, Mikhail Golubev et Zafer Gürdal) se trouvaient dans une nouvelle université de l'ouest de Moscou, l'Institut de science et de technologie Skolkovo (Skoltech), créée en 2011. En 2014, Antonov travaillait à la construction du nouveau centre de Skoltech pour la technologie des composites et a commencé à développer l’impression 3D. Le directeur du centre de composites à cette époque était Zafer Gürdal, qui est parti en 2015 pour rejoindre le centre McNair de l'Université de Caroline du Sud. Ce dernier est maintenant connu pour ses activités de recherche et développement sur les composites et l’impression 3D par fibres continues.

«Nous avons décidé de quitter Skoltech lorsque Zafer Gürdal est parti», explique Antonov. «Nous avions mis au point un prototype de tête d'impression CFC avant l'été 2015. Notre prochain objectif était de développer une imprimante de bureau.»

Anisoprint a présenté son imprimante de bureau Composer en 2017. Semblable aux imprimantes à fibres continues de Markforged, Anisoprint Composer utilise deux buses d’impression: une pour le renforcement des fibres continues et une pour la matrice en plastique. Logé dans une chambre d’impression en verre, le lit pour impression en verre du Composer peut être chauffé jusqu’à 120 ° C, ce qui permet de minimiser les effets du retrait. Actuellement, il est disponible en deux tailles:

• A3 (420 sur 297 sur 210 millimètres)
• A4 (297 x 210 x 147 millimètres)

Avec un diamètre de buse standard de 0,4 millimètres, la vitesse d’impression du Composer est de 10 à 80 millimètres / seconde sans armature et de 1 à 20 millimètres / seconde avec renforcement continu des fibres. Anisoprint peut extruder de nombreux plastiques, notamment le PLA, le PETG, l'ABS, le nylon et le PC. Il peut les renforcer avec ses matériaux en fibres de carbone composites (CCF) et a récemment lancé un fibre de basalte composite (CBF) matériel d'impression.

Cependant, Anisoprint est très différente des autres technologies d'impression 3D à fibres continues car elle imprègne d’abord le renforcement continu des fibres avec un thermodurcissable polymère, puis extrude celui-ci dans le filament thermoplastique fondu pendant l’impression. "Cette approche à deux matrices garantit une faible porosité, une bonne adhérence de la fibre sur le polymère et d'excellentes propriétés mécaniques", Antonov affirme.

Il poursuit: «L’inventeur de l’anisogrid à enroulement filamentaire destiné à l’adaptateur de charge utile du lanceur Proton M, V.V. Vasiliev, qui fait partie de notre conseil d’administration, a en fait montré que cette idée d’utiliser une matrice double thermoplastique thermodurci (TS-TP) présente des avantages par rapport à l’utilisation d’une seule matrice thermodurcissable ou thermoplastique. Les matériaux de la matrice thermodurcissable ont des problèmes de fragilité, de sorte que la matrice commence à se fissurer beaucoup plus tôt que la fibre. Vasiliev a prouvé qu'il pouvait atténuer cela avec une approche à double matrice.

Le thermoset Anisoprint utilisé est un époxy multicomposant et les stratifiés imprimés finis ont une teneur en fibres pouvant atteindre 45%, comme l'a testé la Technical University of Munich (TUM).

Les offres brevetées d’Anisoprint incluent:

Co-extrusion de fibres composites (CFC) pour la fabrication additive utilisant différents polymères thermoplastiques renforcés de fibres continues (par exemple, carbone, basalte) qui sont consolidés et durcis selon un processus automatisé en une étape qui ne nécessite ni outillage ni post-traitement.

Logiciel Aura Slicer qui prépare les modèles 3D pour la fabrication de pièces à l'aide d'une imprimante Composer CFC ainsi que d'imprimantes FFF conventionnelles.

Compositeur Imprimante 3D de bureau disponible en trois tailles (A4, A3, A2).

BAL DE PROMO famille de systèmes d’impression industriels avec options de robot et de portique, disponibles dans le commerce à partir de 2020.

Développement de robot vs ordinateur de bureau

«Le robot a une tête d'impression différente, car vous devez déplacer la tête pour l'ajuster et atteindre les espaces restreints lors de l'impression», explique Antonov. «Dans un plan 2D, ce n’est pas un problème. Mais dans l'espace 3D, vous devez placer la fibre là où il y a déjà une structure. L'accessibilité idéale est obtenue avec une aiguille. Nous avons donc besoin d'un compromis, d'une tête d'impression plus semblable à une aiguille. ”

Il note d'autres différences, telles que les contrôles industriels. «Les imprimantes de bureau sont basées sur l’électronique grand public, telle que Arduino. Mais pour les systèmes robotiques plus grands, vous avez besoin d'une commande de mouvement industrielle, d'interfaces et de toutes sortes d'assurance qualité in situ, telles que la mesure au laser, que Markforged propose sur leur plus grande machine. Vous devez également modifier les capteurs et les commandes de chauffage / refroidissement. ”Il ajoute que tout cela prend du temps et des ressources. Leur priorité ces deux dernières années était de développer la machine de bureau, mais ils travaillent également sur les systèmes robotiques. ”

Logiciel: Aura

Antonov décrit le logiciel Anisoprint comme flexible, permettant aux utilisateurs débutants et avancés. "Le logiciel est facile à utiliser, mais il est important que les laboratoires de R & D aient la possibilité de modifier les paramètres d'impression", explique-t-il. Parmi ses clients figurent l'institut de recherche MFPA (Weimar, Allemagne), le Brightlands Materials Center (Geleen, Pays-Bas) et l'Université technique de Munich, ainsi que des fabricants tels que Schunk Carbon Technology, Airbus et BMW.

Anisoprint est composé de pièces microsatellites composites imprimées en 3D avec une réduction de poids allant jusqu'à 45% par rapport aux métaux légers.

Partenariats pour des solutions continues

Anisoprint, qui se présente comme une plate-forme de matériaux ouverts, cherche également à développer davantage de partenariats pour de nouveaux matériaux et pièces d’impression. En juin, il a annoncé un accord avec Thought3D basé à Malte pour l’utilisation des adhésifs Magigoo de cette dernière. Ceux-ci collent le premier calque d'impression sur le lit d'impression, empêchant ainsi le détachement de la pièce. «La mauvaise adhérence de la première couche est l’un des problèmes les plus courants pouvant ruiner les pièces imprimées, et pas nécessairement au début de la fabrication», explique Antonov. «Ceci est particulièrement important pour notre système de matériaux ouverts, où le client peut choisir parmi différents types de thermoplastiques. Chacun requiert des paramètres d’impression différents et c’est pourquoi nous avons introduit plusieurs paramètres de première couche dans notre logiciel Aura slicer. C'est également la raison pour laquelle nous allons inclure des bâtons Magigoo dans chaque boîte Composer afin de nous assurer que nos clients disposeront d'une solution adéquate pour une bonne adhérence en première couche. ”

Applications d'anisoprinting

Anisoprint affirme que sa technologie peut être appliquée dans de nombreux domaines, de l'aérospatiale aux produits grand public et aux soins de santé. Un exemple: un siège de siège d'avion supportant une charge de 1,5 tonne et un poids réduit de 40% par rapport à l'aluminium. Avec 100 appareils de ce type dans un avion moyen à passager à une seule allée, cette réduction de poids peut permettre de réaliser d'importantes économies de carburant et de coûts d'exploitation globaux.

Le support de siège d'avion composite imprimé en 3D Anisoprint permet une économie de poids de 40% par rapport à l'aluminium.

Un autre cas est un piston pour former des pots de yaourt, utilisé dans une ligne de production laitière. De tels pistons sont typiquement fabriqués en polyamide blanchi, mais le remplacement de telles pièces lorsqu'elles sont endommagées prend trois mois, avec une ligne de production arrêtée pour la durée. La pièce imprimée par un compositeur Anisoprint aurait une durée de vie plus longue et réduirait les temps d'arrêt de la ligne de production de 3 mois à 24 heures.

“Anisoprinting permet la conception et la production de structures composites optimales par la co-extrusion de fibres composites », déclare Antonov. «Les polymères thermoplastiques sont renforcés avec des fibres continues, consolidés et durcis dans un processus en une étape entièrement automatisé, sans aucun post-traitement. En conséquence, nous obtenons des pièces plusieurs fois plus solides, plus légères et moins chères que les métaux et plastiques traditionnels, mais également supérieures aux composites conventionnels. ”