차세대 맞춤형 복합 재료를 자기 3D 프린팅하는 방법

Fortify(미국 매사추세츠주 보스턴)는 Josh Martin(Fortify의 CEO)과 보스턴 노스이스턴 대학교 DAPS 연구소 소장인 Randall Erb의 복합 3D 프린팅 연구를 기반으로 2016년에 설립되었습니다. (Erb는 Boston Materials와 Fortify의 공동 설립자이기도 합니다.) 그들의 목표는 최적화된 미세 구조로 복합 재료를 빠르게 생산할 수 있도록 하는 것이었습니다. 그들이 개발한 특허받은 Fluxprint 기술은 자기장과 DLP(디지털 광 처리)를 사용하지만 고충진 수지 시스템을 사용하여 고해상도 3D 인쇄 복합 부품에서 맞춤형 미세 구조를 생성합니다.

Fluxprint 대 DLP

DLP와 SLA(stereolithography)는 현재 가장 높은 부품 복잡성과 정밀도를 제공하는 3D 프린팅 기술로 간주됩니다. 둘 다 일반적으로 에폭시 또는 아크릴 및 메타크릴 단량체로 구성된 감광성 수지를 경화시키기 위해 빛(일반적으로 자외선(UV))의 사용에 의존합니다. 빛은 디지털 방식으로 시스템 탱크의 수지에 비추어 각 레이어의 모양이나 패턴을 만듭니다. 제작 플랫폼은 각 레이어 뒤에 이동하여 다음 레이어를 인쇄하고 완성된 견고한 부품으로 진행할 수 있습니다.

DLP 프로젝터와 SLA는 1980년대 3D 프린팅이 시작될 때까지 거슬러 올라갑니다. DLP 프린터는 실제 조명 프로젝터를 수용하기 때문에 더 큰 경향이 있습니다. 대부분의 SLA 및 DLP 기계는 열경화성 폴리머를 사용하지만 EnvisionTEC은 열가소성 수지도 사용할 수 있는 프린터를 만듭니다. 둘 다 전통적으로 강화되지 않은 순수한 폴리머를 사용했습니다.

DLP와 SLA 비교. 출처 | 왕립 화학 학회 및 Ricardo Pires의 "DLP 대 SLA – 3D 인쇄 기술 총격전", all3DP.com

Fortify CEO Josh Martin은 "DLP 플랫폼은 충분한 생산 속도와 품질을 제공할 수 있지만 기계적 특성은 항상 도전 과제였습니다. 우리의 핵심 이론은 성능의 단계적 변화가 고분자 화학만으로는 달성되지 않는다는 것입니다. 그러나 고해상도 첨가제 산업에서 복합 재료의 고유한 특성을 활용하는 것은 게임 체인저가 될 것입니다.”

그는 Fortify가 고유한 첨가제를 사용하고 인쇄물에서 이러한 특성 향상 첨가제의 방향을 제어하는 ​​고충전 기술 수지의 UV 경화를 전문으로 한다고 설명합니다. 필러에는 유리, 탄소 및 세라믹 섬유와 미립자가 포함됩니다. 테크니컬 레진에는 아크릴레이트 및 메타크릴레이트 기반(PMMA) 또는 에폭시 기반, 양이온 기반이 포함되며 Martin은 코팅 산업에 더 일반적이라고 설명합니다. BASF, DSM, Dupont 등 전 세계 최고의 수지 제조업체는 첨가제의 특성을 향상시키기 위해 막대한 투자를 하고 있습니다. Fortify는 강화 기술을 추가하기 위해 이러한 발전 중 최고를 선택할 수 있습니다.

자기장을 사용하여 섬유 배향을 제어합니다. Fortify 3D가 Fluxprint 기술을 사용하여 부품을 인쇄할 때 섬유는 부품의 부하 요구 사항을 충족하기 위해 복셀별로 자기적으로 정렬됩니다. (위의 비디오에서 실제 공정을 참조하십시오.) 세라믹 및 유리 입자 및 섬유와 같은 비자성 강화 재료의 경우 독점 자기 라벨 기술을 사용하여 충전제가 자기적으로 반응하고 호환되도록 하는 방식으로 충전제를 코팅합니다. 수지.

Fluxprint 프로세스는 위의 이미지에 표시되며 다음과 같이 설명됩니다.

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공급 재료 층이 무작위로 정렬된 보강재와 함께 빌드 영역에 공급됩니다.

자기장을 적용하여 보강재를 정렬합니다.

활성 복셀은 UV 광선에 노출되어 해당 복셀의 강화 방향을 고정합니다(현재 빨간색으로 표시됨).

자기장을 이동하여 강화의 새로운 방향을 설정합니다.

UV 노출 단계를 반복하여 다음 복셀 세트의 방향을 수정합니다(필요한 경우 반복).

빌드 플레이트는 다음 인쇄 레이어를 위해 경화되지 않은 피드 재료 매트릭스를 가져오도록 조정됩니다.

Fluxprint 기술은 인쇄 과정에서 섬유 방향에 대한 복셀 수준 제어를 가능하게 합니다. 출처 | Joshua J. Martin, Brad E. Fiore 및 Randall M. Erb, Nature Communications의 "3D 자기 인쇄를 통한 생체 영감 복합 강화 아키텍처 설계" 6권, 문서 번호:8641(2015).

복셀별로 복셀해야 하는 이유

"모든 지오메트리는 고유한 변형률과 응력 상태를 가지고 있습니다."라고 Martin은 설명합니다. “대부분의 복합 재료는 이를 설명하기 위해 수작업으로 제조됩니다. 우리는 프로세스를 디지털화하고 있습니다. 예를 들어 UAV 프레임을 제대로 보강할 수 있다면 더 적은 재료를 사용할 수 있습니다. 중력에 대항하여 작동하는 모든 응용 프로그램은 기본적으로 이점을 누릴 수 있습니다."

Voxel-by-voxel 인쇄는 본질적으로 고해상도입니다. Martin은 "이것은 현재까지 가장 높은 해상도의 복합재 제조 공정입니다."라고 Martin은 FDM(강화되지 않거나 밀링된 섬유 강화 플라스틱 필라멘트를 녹여 프린트 베드에 증착하는 FDM)의 해상도가 수백 배에 이른다고 말합니다. Fluxprint는 수십 마이크로미터 이내인 반면 마이크로미터 단위입니다. "그래서 육안으로 감지되는 영역을 넘어서는 수준의 향상입니다. 이러한 종류의 분해능은 다양한 최종 사용 부품에 매우 중요합니다.”

Fortify의 Fluxprint 마그네틱 3D 프린팅 기술은 섬유의 방향을 지정하여 사출 성형 도구의 "못" 돌출부를 강화할 수 있습니다. 출처 | 강화하십시오.

"우리는 기존의 기계 가공된 금속보다 훨씬 저렴한 사출 성형 도구를 제공하고 짧은 시간 안에 납품할 수 있으며 기존의 기계 가공 방식으로는 달성할 수 없는 기능을 제공합니다."라고 Martin은 말합니다. “한 고객은 알루미늄으로 가공된 연간 12가지 다른 디자인을 반복할 것입니다. 우리는 시장 출시 시간을 크게 단축하여 몇 달 만에 12개 이상의 디자인을 제작했습니다. 이제 그들은 몇 주 만에 선반에 있는 설계에서 부품으로 이동할 수 있습니다.” 또 다른 이점은 '못'이라고 하는 예측을 강화할 수 있다는 것입니다. 이러한 높은 종횡비의 돌출부는 종종 빠져 나옵니다. 강화는 엄격한 허용 오차를 유지하면서 이를 방지합니다.

CW의 자매 잡지인 적층 제조에서 사출 성형 툴링에 대한 Fortify의 이점에 대해 자세히 알아보십시오.

공개 자료, 새로운 개발

Fortify는 개방형 재료 접근 방식을 추구합니다. Fortify의 애플리케이션 부사장 Karlo Delos Reyes는 "저희는 고객의 성장과 첨가제 내 탐색 능력을 제한하고 싶지 않습니다."라고 설명합니다. "우리는 개방형 혁신을 수용하여 고객의 유연성과 최상의 가용 재료를 보장합니다."

Martin은 "우리는 대형 폴리머 제조업체와 파트너 관계를 맺고 첨가제의 표면 화학을 조정합니다."라고 말합니다. 그는 각 충전재가 내마모성, 온도에서의 성능 등과 관련하여 고유한 장단점이 있다고 말합니다. “섬유의 경우 응용 분야에 따라 길이가 수 µm에서 수 mm입니다. 표면 해상도가 필요한 경우 더 작은 길이의 첨가제를 더 많이 사용합니다. 예를 들어 더 거친 표면을 가질 수 있지만 인장 강도를 최적화하려는 경우에는 더 긴 섬유 첨가제를 사용합니다.”

Fortify의 전략 중 하나는 업계 리더 및 공급업체와 협력하여 전문 지식을 활용하고 아이디어의 교차 수분을 가능하게 하는 것입니다. Fortify는 최근 확장된 기계적 및 온도 성능을 달성하기 위해 Fortify의 인쇄 시스템에 사용될 고성능 복합 재료를 개발하기 위해 DSM Additive Manufacturing(네덜란드 Hoek van Holland 및 미국 일리노이주 Elgin)과의 파트너십을 발표했습니다. Martin은 "그들은 우리의 수지 팔레트를 확장할 것이며 우리는 최첨단 수지를 개발하기 위해 그들과 협력하게 된 것을 기쁘게 생각합니다."라고 말했습니다.

Fluxprint로 만든 유리 섬유 강화 복합 부품. 출처 | 강화하십시오.

Z 방향 보강 및 적용

Fluxprint는 여전히 레이어별로 인쇄하고 있습니다. 그렇다면 z 방향 강화를 달성할 수 있습니까? "2mm 길이의 섬유를 인쇄하는 경우 z 방향으로 넣을 수 없습니다."라고 Martin은 말합니다. “하지만 짧을 수 섬유를 z 방향으로. 여러 길이 척도 를 살펴보고 있습니다. 그리고 우리는 최적화된 부하 전달을 위해 미래에 발전할 것이라고 봅니다."

Fortify는 이미 프로펠러를 포함하여 UAV용 부품을 생산하고 있으며 항공우주 분야에서 이러한 애플리케이션을 더 많이 보고 있습니다. "우리는 작은 제작 영역을 가지고 있으므로 더 적은 양의 부품을 쉽게 만날 수 있는 응용 분야에 집중하고 있습니다."라고 Martin은 말합니다. "이것은 성숙한 생태계이지만 고온 및 허용 오차에서 기계적 특성에서 새로운 수준의 성능을 제공합니다." 그는 부품의 열 변형 온도를 개선할 수 있다고 말합니다. 그리고 160°C 온도에 노출되는 동안 강도와 강성을 제공해야 하는 자동차의 후드 아래 부품이 수십 가지가 있다고 설명합니다. "이러한 복잡한 형상을 가진 부품 우리 기술로 3D 프린팅에 적합합니다. PEI(폴리에테르이미드)로 부품을 성형하고 가공하는 현재 방법과 비교하여 우리는 더 높은 성능, 더 짧은 리드 타임 및 저비용에 대한 높은 잠재력을 제공합니다. .”

금형은 사출 성형용 다이, 지그 및 고정 장치를 포함하는 현재 시장이기도 합니다. Martin은 "다시 말하지만 우리 부품은 더 단단하고 강하며 온도 저항이 높아 서비스 시 치수 정확도를 유지합니다."라고 말합니다. "하지만 그들의 진정한 가치는 아닌 EDM 기계를 사용할 때 필요한 것과 같은 상당한 후처리가 필요하지만 CNC 밀링을 포함하여 이러한 전통적인 방법으로 만든 고정물의 품질과 일치합니다."

출처 | 다중 역학

멀티스케일, 다기능 복합재료의 차세대 발전

Fortify는 고급 재료용 멀티스케일 모델링 및 시뮬레이션 소프트웨어 개발업체인 MultiMechanics(미국 네바다주 오마하)와 파트너 관계를 맺었습니다. 이 파트너십은 여러 가지 이유로 흥미롭습니다. 첫째, Fortify는 MultiMechanics의 주력 제품인 MultiMech를 사용하여 부품의 성능을 예측합니다. 인쇄하기 전에 디자인과 섬유 방향을 최적화합니다. 따라서 MultiMech는 폐쇄 루프 반복 설계에 대한 피드백을 제공하는 역할을 합니다. , 사용자가 Fluxprinted 복합 부품을 보다 신속하게 맞춤화하고 최적화할 수 있습니다. Fortify와 MultiMechanics는 또한 MultiMech를 Fortify의 INFORM에 통합할 계획입니다. 제너레이티브 디자인 및 인쇄 제어 소프트웨어. 따라서 설계에서 가상 테스트, 인쇄에 이르기까지 모든 기능이 단일 디지털 스트림 내에서 제어됩니다.

두 번째 요점으로는 MultiMechanics가 MultiMech 소프트웨어를 통해 제공하는 것이 무엇인지 이해하는 것이 중요합니다.

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멀티스케일 유한 요소 분석 , 사실상 무제한의 스케일 모델링을 포함합니다(예:나노, 마이크로, 플라이, 라미네이트, 부품).

• 자동 생성 복잡한 3D 유한 요소 미세 구조 및 연속 및 절단 섬유, 입자, 공극, 발포체, 직물 등을 포함한 거의 모든 재료 미세 구조 모델링
  

• 미시 구성 요소의 모델 효과, 포함 상호작용 , 부피 분율, 분포 및 방향 및 가져오기 p 과정 유발 변형 프로그램(예:Moldex3D, Moldflow)

• 제조 변동이 부품 성능에 미치는 영향 분석 다 수행 마법사 모델링 미세 균열에서 거시 균열로의 다단계 전환을 포함합니다.

이것은 Martin과 Erb가 처음에 Fortify를 시작한 이유로 돌아갑니다. 2015년 기사 "3D 자기 인쇄를 통한 생체 영감 복합 강화 아키텍처 설계"에서 그들은 다음과 같이 말합니다.

Martin과 Erb는 다중 규모의 복잡한 구조로 구성된 불연속 섬유와 강화 입자를 사용하는 천연 복합 재료에 대해 논의합니다. 구성 요소에 비해 우수한 특성을 달성합니다. 2017년 Materials Today에서 Qunfeng Cheng이 제시한 예 기사는 전복 껍질의 진주층입니다. 95 vol% 무기 아라고나이트와 5 vol% 유기 단백질 매트릭스로 구성된 진주층의 파괴 인성은 3,000배 더 높음 아라고나이트보다 Cheng은 이것이 기존 복합 재료의 혼합물 규칙을 훨씬 능가하는 기계적 특성의 '증폭 효과'를 나타냅니다. .

2018년 고급 자료 Audrey Velasco-Hogan, Jun Xu 및 Marc A. Meyers의 저자는 "생물에서 영감을 받은 구조를 설계하고 최적화하는 방법으로서의 적층 제조"라는 기사에서 계층적 구조가 진주층, 뼈, 대나무 및 갑각류 껍질과 같은 재료의 인상적인 조합을 가능하게 하는 강도, 계수, 경량, 인성 및 피로 저항. 구성 입자/필라멘트 및 매트릭스는 각 수준에서 다르게 구성됩니다. (예:나노, 마이크로, 메조, 매크로), 각 수준(즉, 다중 규모 합성)에서 속성을 변경합니다. 효율적인 인터페이스와 결합된 경우 레벨 사이에서 이 계층 구조는 균열 전파를 완화하고 인성을 향상하기 위해 시너지 효과를 발휘합니다. 경도를 유지하면서 약 100년의 노력 끝에 도자기에서 아직 달성하지 못한 것입니다.

컴포지트 및 INFORM의 미래

이것이 합성물의 미래입니다. 고유한 속성을 가진 계층적 합성물 설계 정확한 애플리케이션에 맞게 조정되었습니다. 그리고 이미 빠르게 발전하고 있습니다. 예를 들어, 슈투트가르트에 있는 독일 항공 우주 센터(DLR) 구조 및 설계 연구소는 MultiMechanics와도 파트너 관계를 맺었습니다 온도 변화가 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)의 미세 구조 및 재료 거동에 미치는 영향 이해 . 이 분석은 로켓용 노즐과 재진입 차량용 열 보호 시스템을 포함하여 DLR의 미래 CMC 부품 생산에 중요한 것으로 간주됩니다. “지난 10년 동안 MultiMechanics에서 우리의 작업은 미세 구조적 거동을 연결하는 데 전념해 왔습니다. 전체 부품 성능 및 제조에 대한 고급 재료의 "라고 MultiMechanics의 사장 겸 CTO인 Dr. Flavio Souza는 말합니다. DLR의 세라믹 복합 재료 및 구조 부서 그룹 리더인 Neraj Jain은 "MultiMech를 사용하여 미세 구조 균열을 모델링하고 전체 복합 부품에 미치는 영향을 결정할 수 있습니다. "Abaqus 및 ANSYS와 같은 다른 FEA 도구와 MultiMech의 효율적인 통합으로 생산성이 향상되고 CMC 재료를 가상으로 최적화하려는 우리의 목표에 더 가까워졌습니다. .”

이러한 합성물이 가상으로 최적화되면 Fortify의 INFORM 소프트웨어에 내장된 MultiMech로 인쇄됩니다. 이 소프트웨어는 이미 제너레이티브 디자인 백본을 통해 유기적이고 부하 최적화된 아키텍처에 맞춰져 있습니다. . (Solvay의 복합 재료 사업부도 MultiMechanics와 3D 인쇄 기술에 투자했습니다.)

섬유 강화 격자, nTopology에서 제공하는 디자인. 출처 | 강화하십시오.

"INFORM은 를 사용합니다. 각 부품의 섬유 배향을 최적화하기 위한 고급 알고리즘"이라고 Martin은 설명합니다. “전통적으로 3D 프린팅 워크플로가 STL로 시작하여 디자인을 슬라이스하는 데 비해 우리는 FEA로 시작합니다. (응력 및 변형률이 있는 모델) 그런 다음 해당 모델링된 디자인을 분리할 복셀과 섬유 방향을 결정합니다. 우리는 반복을 통해 섬유를 응력/변형장 벡터와 정렬한 다음 해당 인쇄물이 어떻게 작동하는지 시뮬레이션하고 해당 데이터를 사용하여 설계를 개선하고 최적화하여 미세 구조 생성 설계를 달성합니다. .”

시작일 뿐

이러한 미래 합성물에는 다양한 재료가 포함됩니다. Naval Research Laboratory(NRL, Arlington, Va, U.S.)는 나노입자 및/또는 필라멘트를 통해 2차 세라믹 보강재가 있는 세라믹 매트릭스를 사용하여 CMC를 개발하고 있습니다. 이러한 CMC는 연속 섬유 강화를 사용할 수도 있습니다. 다시 말해, 강화된 인성과 요구되는 맞춤형 전기 및 열 특성을 위해 각 수준에서 서로 다른 구성 요소와 아키텍처를 사용할 수 있습니다(예:극초음속의 경우 나노복합체에 대한 2019년 7월 특집에서 자세히 읽어보기).

출처 | 그림 3, Joshua J. Martin, Brad E. Fiore 및 Randall M. Erb, Nature Communications의 "3D 자기 인쇄를 통한 생체 영감 복합 강화 아키텍처 설계" 6권(2015).

강화된 에폭시 잉크와 열가소성 폴리머 매트릭스를 사용하여 계층적 합성물을 인쇄하고 테스트하고 있습니다. 이것은 스타트업으로서 Fortify의 가장 큰 장점일 것입니다. 단순히 미래의 복합재료를 준비하는 것이 아니라 이미 설계 및 생산하고 있습니다. 그리고 이미 달성한 것이 인상적이기는 하지만 시작에 불과합니다.