재창조된 적층 제조:대규모 섬유 강화 열경화성 인쇄

복합 재료 응용 장비의 선두 제조업체인 Magnum Venus Products(MVP)는 2017년에 RAM(Reactive Additive Manufacturing) 기계 작업을 시작했습니다. 같은 해 열경화성 폴리머, 겔코트 및 SMC 공급업체인 Polynt는 Oak Ridge와 협력하기 시작했습니다. 국립 연구소(ORNL)는 RAM 시스템에 사용할 반응성 물질을 개발합니다. CAMX 2018(Oct 15-18, Dallas, TX)까지 팀의 노력은 열경화성 재료용 대면적 3D 프린터에 대한 ACE Infinite Possibility Award를 수상했습니다. 이번 주, CW 이 세 파트너가 ORNL에서 DOE(Dept. of Energy)의 MDF(Manufacturing Demonstration Facility)에서 세계 최초의 대규모 열경화성 복합 적층 제조 시스템을 시연한 출시 행사에 참석했습니다.

MVP의 반응성 적층 제조(RAM) 기계와 Polynt 반응성 증착 PRD-1520 인쇄 재료가 오크리지 국립 연구소(ORNL)에서 시연됩니다. 출처 | CW

반응성 적층 제조(RAM)

UV 경화 열경화성 수지로 3D 인쇄를 가능하게 하는 기술이 개발되었지만 RAM 및 Polynt Reactive Deposition PRD-1520 인쇄 매체는 반응성 수지를 사용하는 최초의 대규모 시스템(현재 빌드 범위는 8피트 x 16피트 x 3.5피트임)을 구성합니다. UV 활성화 없이 주변 온도에서 경화됩니다. 이 기술은 저비용 고정 장치, 열성형 도구 및 오토클레이브 금형은 물론 광범위한 응용 분야를 대상으로 합니다. MVP CEP인 Bob Vanderhoff는 "RAM은 열 특성이 개선된 더 강력하고 에너지 효율적인 제품을 제공합니다."라고 설명했습니다.

RAM 시스템에는 대형 인쇄 플랫폼과 바닥 장착형 MVP 펌핑 시스템이 포함되며 프린트 헤드만 컴퓨터 제어 갠트리에 장착됩니다. 펌핑 시스템은 짧은 유리 섬유 강화 비닐 에스테르 수지와 과산화물 개시제를 프린트 헤드의 정적 혼합기로 정확하게 측정하고 계량합니다. 혼합된 수지는 대부분의 FDM(Fused Deposition Modeling) 시스템과 유사하게 노즐을 통해 압출됩니다. "1.2mm 직경의 노즐을 사용하면 인쇄 속도는 대략 1.2미터/초입니다."라고 ORNL의 적층 제조(A.M.)에서 열경화성 폴리머/복합체 기술 책임자인 John Lindahl이 말했습니다. "RAM은 FDM 규모 기능을 달성하면서 거의 7kg/hr(15lb/hr)의 높은 출력을 제공할 수 있습니다."

출처 | https://www.mvpind.com/3d-printer/

빌드 플랫폼은 8개의 세그먼트로 구성된 모듈식입니다. "각각은 쉽게 제거되고 색인이 생성됩니다. "라고 ORNL 제조 과학 그룹 리더인 Vlastimil Kunc는 말합니다. "저는 손가락으로 이것을 움직일 수 있으므로 후 경화 또는 기계 가공을 원할 경우 하나를 빼서 다른 것으로 교체할 수 있습니다." 그런 다음 대량 부품 생산을 위해 확장할 수 있도록 프로세스를 모듈화합니다. "우리는 또한 집합 로봇을 가지고 있습니다. 예를 들어 필요에 따라 센서, 열전대, RFID 태그 및 발열체를 내장하기 위해 RAM에 기능을 추가합니다.”라고 덧붙였습니다.

"RAM에는 적외선 카메라와 광학 센서가 장착되어 있어 빌드 중 발열과 온도를 모니터링할 수 있습니다."라고 Lindahl은 말합니다. “우리는 반무한 벽과 함께 사용하는 1D 열화학 유변학 모델을 개발했으며, 이는 이러한 재료로 구축하기 가장 어려운 특징입니다. 이 모델은 인쇄 수지와 반응을 기반으로 필요한 레이어 시간, 인쇄 속도(체적 출력) 및 발열 정도를 알려줍니다. 이 모든 것이 RAM 인쇄 매개변수 최적화를 안내합니다. 겔화, 경화 및 완전 인쇄 완료 동안 인쇄된 수지의 점탄성 거동을 완전히 이해합니다.”

RAM 프린터에는 ORNL의 열-화학-유변학 모델에 정의된 대로 최적화된 매개변수에 대한 적합성과 발열을 모니터링하는 적외선 카메라와 광학 센서가 장착되어 있습니다. 출처 | CW

효율성을 위한 Polynt Reactive Deposition(PRD-1520)

PRD-1520은 펌핑 및 3D 프린팅을 위해 고점도(250-300만 cPs)로 설계된 사전 프로모션된 사전 복합 불포화 비닐 에스테르 수지입니다. MVP RAM 프린터에 사용하도록 설계되었으며 수축률이 낮고 HDT(열변형 온도)가 94°C/201°F이고 유리 전이 온도가 107°C/225°F입니다. 이는 3D 프린팅 필라멘트 공급업체에 따르면 PLA, ABS 및 나일론의 HDT가 각각 56°C, 88-98°C 및 110°C인 것과 비교됩니다. “그러나 PRD-1520의 특허 출원 중인 화학은 인쇄된 층 사이의 화학적 결합을 가능하게 합니다. 이는 열가소성 수지에 비해 2~4배 더 큰 z-방향 강도를 포함하여 3D 인쇄된 구조의 특성을 증가시킵니다. 그는 또한 수지의 긴 개방 시간(20-25분의 겔 시간)에 주목했습니다. "이는 시작과 정지가 있고 레이어 사이에 긴 간격이 있는 큰 구조를 인쇄할 수 있게 해줍니다." 이전에 증착되었지만 여전히 부드러운 재료에 인쇄할 수 있는 이 기능은 공구 경로의 자유도를 크게 높입니다.

Lindahl은 "우리가 수행한 공구 경로 개발은 열경화성 재료에 고유한 것입니다."라고 설명했습니다. "우리는 희소 채우기로 시작한 다음 빈 공간이 없는 레이어로 채우는 방식으로 매우 효율적인 구조를 인쇄할 수 있습니다. . 0°/90° 레이어를 번갈아 가며 시작한 다음 단일 전환 레이어에서 0° 및 90° 인쇄 경로로 이동한 다음 솔리드 인쇄 레이어로 덮습니다. 이렇게 하면 인쇄물을 크게 줄이면서 큰 표면을 인쇄할 수 있습니다. 무게, 인쇄 시간 및 비용도 마찬가지입니다.” 이 기술을 설명하는 기술 논문은 9월 26일 목요일 오전 10시에 ORNL 박사후 연구원인 Chris Hershey가 CAMX 2019에서 발표할 예정입니다. "Sparse Infill Structures with Solid Perimeters"는 이미 CAMX 2019 Outstanding Technical Paper 및 적층 제조 컨퍼런스 트랙의 최우수 논문을 수상한 바 있습니다.

“PRD-1520을 사용하는 RAM은 현재 가장 에너지 효율적입니다. 폴리머 및 복합 재료용 3D 프린터”라고 Lindahl은 말합니다. 특히, 열경화성 재료는 가열된 테이블이나 챔버가 필요하지 않습니다. 또한 일반적으로 열가소성 펠릿을 녹이는 데 필요한 열도 필요하지 않습니다.

MDF 이사인 Bill Peter는 "차세대 반응성 폴리머 적층 제조를 바라보는 Polynt 및 MVP와 상호 유익한 협력을 즐겼습니다."라고 말했습니다. "DOE의 첨단 제조 사무소의 지원으로 우리는 업계 파트너와 함께 에너지 효율적인 프로세스 및 응용 프로그램을 추가로 시연하면서 이 기술을 개선하고 기본 과학을 더 잘 이해하기 위한 기본 연구를 계속할 계획입니다."

자세히 알아보려면 CAMX 2019(9월 23-26일, Anaheim, CA) 부스 G2의 MVP와 부스 S25의 ORNL을 방문하거나 MVP의 Hannah Jay, Polynt의 Rick Pauer 또는 ORNL의 Jennifer Burke에게 문의하십시오.