Delft의 산업용 연속 섬유 복합 인쇄

CEAD(네덜란드 델프트)는 Karen Mason의 2019년 3월 특집 "연속 섬유 3D 프린팅을 생산으로 옮기기"에서 소개되었습니다. 이 블로그에서는 회사가 압출기를 별도로 판매하는 이유와 연속 섬유 인쇄의 미래에 대한 회사의 비전을 포함하여 공동 창립자 Maarten Logtenberg와의 인터뷰를 기반으로 더 자세한 정보를 제공합니다.

연속 섬유가 있거나 없는 인쇄 - 동일한 인쇄물로

Logtenberg와 함께 CEAD는 Lucas Janssen에 의해 설립되었습니다. 그들은 네덜란드 3D 프린터 회사인 Leapfrog를 시작한 팀의 절반이었습니다. "우리는 업계를 위해 다양한 3D 인쇄 기계를 만들었습니다."라고 Logtenberg는 말합니다. “저는 시장을 살펴보고 있었고 진정한 산업 응용 분야에 적합한 재료를 사용하여 대규모로 인쇄하는 것이 누락된 것처럼 느꼈습니다. 열가소성 수지 단독보다 더 많은 강도가 필요합니다.” 이것이 연속 섬유를 사용한 인쇄가 제공하는 것입니다. "그래서 우리는 특허를 받은 자체 기술을 개발했습니다."라고 그는 말합니다.

"우리는 여전히 단섬유와 섬유가 없는 인쇄물에 대한 필요성을 알고 있습니다." 이것이 CEAD의 연속 섬유 적층 제조가 된 이유입니다. (CFAM) 기술을 통해 연속 섬유 및 동일한 프린트 내 비보강 또는 단섬유 강화 펠릿에서 직접 압출 . "프린트 헤드를 교체할 필요가 없습니다."라고 Logtenberg는 설명합니다. “우리는 연속 섬유를 용융물의 중간에 넣어 두 가지가 동시에 압출되도록 합니다. 그러나 그들은 다른 드라이브 시스템을 사용합니다. 연속 섬유 프린트 헤드를 통과하지만 품질을 보장하기 위해 미리 함침됩니다."

사출 성형 및 오버몰딩된 복합 재료와 압축 성형된 직접 장섬유 열가소성(DLFT) 복합 재료에서 이미 표준인 펠릿/과립 재료의 직접 압출은 산업 생산에 더 저렴하다고 Logtenberg는 말합니다. "이 재료는 반드시 건조 사전 인쇄하고 CFAM 기계에 연결된 자체 건조기를 개발했습니다.”

오버몰딩된 열가소성 복합 재료와 유사하게, 각 인쇄물에 대해 동일한 폴리머가 사전 함침된 연속 필라멘트와 비보강 또는 단섬유 강화 직접 압출에 사용됩니다. 이 회사는 ABS, PC, PEEK, PET, PLA 및 PP를 포함한 광범위한 폴리머를 가공했습니다. 그들은 지금 PEKK와 저융점 PAEK를 탐구하고 있습니다.

CEAD는 로봇 팔(상단) 및 4m x 2m x 1.5m 빌드 볼륨의 CFAM Prime(하단) 갠트리 기반 기계용 소형 압출 헤드.
출처:CEAD

난방 구역 및 갠트리 대 로봇

현재 CEAD는 4개의 가열 영역이 있는 로봇 압출기와 갠트리 기반 CFAM Prime을 제공합니다. 4 x 2 x 1.5 미터의 제작 부피와 압출기에 10개의 가열 구역이 있는 기계. "우리는 2017년에 개발을 시작했습니다."라고 Logtenberg는 말합니다. “프린트 헤드는 일반적으로 사출 성형에 사용되는 단일 나사 압출기를 기반으로 합니다. 많은 재료를 압출하는 데 필요한 많은 양의 압력(50-60bar)을 적용할 수 있도록 재료를 점차적으로 가열하는 영역이 필요합니다. 펠릿은 배럴로 옮겨져 녹은 다음 압축하고 밀어 넣습니다. 너무 빨리 가열하면 압출기에 압력이 가해지지 않습니다.”

압출기/프린트 헤드를 별도로 판매하는 이유는 무엇입니까? Logtenberg는 다음과 같이 말합니다. 그렇다면 CFAM Prime에 갠트리를 사용하는 이유는 무엇입니까? 짧은 대답은 정확성과 속도입니다. "로봇은 상대적 정확도가 정말 뛰어나지만 A 지점에서 B 지점에 도달하는 방식은 정확하지 않습니다. 3D 프린팅을 사용하면 지속적으로 정확하게 움직여야 합니다. 고품질의 완성된 부품을 만들기 위해."

"또 다른 문제는 속도입니다."라고 그는 말합니다. “우리는 산업 생산을 위한 높은 출력과 동시에 고해상도를 원했습니다. 당사의 압출기를 사용하는 로봇 팔은 4m/min의 속도로 움직일 수 있어 로봇으로서는 매우 빠르지만 갠트리 머신은 60m/min의 속도로 움직일 수 있습니다. .”

갠트리는 속도를 제공하지만 로봇 팔의 압출기는 여전히 다축 인쇄를 제공합니다. . Logtenberg는 다음과 같이 인정합니다. “우리는 먼저 갠트리 시스템을 개발했지만 이제는 로봇 팔에서 동일한 제어를 제공하는 Siemens의 새로운 제어 시스템을 갖게 되었습니다. 그래서 우리는 5축 기계를 개발하고 있습니다. . 갠트리 시스템은 여전히 ​​더 빠르지만 이 새로운 시스템은 진정한 다축 배치를 제공합니다.” 그는 5축 CNC 밀링 머신의 구성과 유사하게 두 시스템을 결합하는 것을 구상하고 있습니다.

밀폐된 챔버가 있는 CFAM Prime 기계(하단 ).
출처:CEAD

냉각 및 제어

3D 프린팅의 문제 중 하나는 수축 제어입니다. 플라스틱 매트릭스의. CFAM Prime은 처음에 열화상 카메라의 입력으로 관리되는 적외선(IR) 가열을 사용했지만, Logtenberg는 이 시스템이 복잡한 모양을 인쇄할 때 불균일한 가열을 발생시켰다고 인정합니다. “우리는 여전히 밀폐된 인쇄실을 사용했습니다. 현재 가열 프린트 베드를 개발 중입니다. "라고 그는 말한다. “이렇게 하면 더 많은 열을 공급할 수 있으며 우리는 여전히 열화상 카메라를 사용하여 시스템을 모니터링하고 관리할 것입니다. 동일한 부품을 6개월 간격으로 두 번 인쇄하면 인쇄 챔버 내에서 동일한 온도 프로필과 조건을 갖게 됩니다.”

Logtenberg는 CFAM Prime이 너무 많은 재료를 압출하기 때문에 많은 에너지가 있다고 말합니다. “그래서 인쇄가 안정될 만큼 빨리 식히기는 어렵습니다. 인쇄할 때 레이어를 냉각시켜 안정적으로 만들고 싶습니다."라고 덧붙입니다. 이 냉각은 어떻게 이루어집니까? Logtenberg는 "강제 공기를 많이 사용합니다."라고 말합니다. 그는 인쇄 베드와 밀폐된 인쇄 챔버에 열을 추가하는 것이 뒤틀림을 제어하는 ​​일부라고 말합니다. “당신은 차가운 레이어 위에 뜨거운 레이어를 깔고 있습니다. 그러나 일부 재료의 경우 150°C 이상인 Tg 이상으로 재료를 유지하고 싶지만 그 위에 인쇄하는 것이 안정적입니다.” 이 프로세스를 사용하더라도 Logtenberg는 부품에 항상 약간의 열 응력이 있음을 지적합니다. "부품에서 긴장을 풀기 위해 몇 가지 후처리 단계를 수행할 수 있습니다."

여러 가열 영역이 있는 로봇 압출기.
출처:CEAD

CEAD는 Siemens 시스템을 사용하여 기계를 제어합니다. Logtenberg는 다음과 같이 설명합니다. CEAD는 자체 소프트웨어를 작성했습니다. 쉬운 사용자 인터페이스를 제공하기 위해 Siemens 시스템 뒤에 있습니다. "이 기계는 산업용 밀링 머신에 사용되는 표준이기도 한 G 코드에서 실행됩니다."라고 그는 말합니다. “이는 부품 프로그래밍에 자유를 줍니다. 오픈 소스 슬라이서를 사용할 수 있지만 Siemens NX도 사용할 수 있습니다. , 이는 강력한 소프트웨어 도구입니다.”

Logtenberg는 고객이 원하는 복잡도를 선택할 수 있다고 말합니다. "우리의 접근 방식은 매우 오픈 소스입니다. , 다양한 종류의 인쇄 소프트웨어를 사용할 수 있습니다. 따라서 고객이 매우 단순화된 인쇄를 원할 경우 버튼만 누르면 됩니다. 그러나 고급 소프트웨어를 사용하는 것도 가능합니다. 그러나 고객은 이것을 사용하는 방법에 대한 지식을 가지고 있어야 합니다. 우리의 비전은 사람들이 사용하고 싶은 것을 결정하게 하고 지원하는 것입니다. .” Logtenberg는 CEAD가 소비자가 아닌 기업을 대상으로 판매되고 있다고 지적합니다. "그래서 우리는 더 많은 지원을 제공할 수 있는 능력이 있습니다."

인쇄된 부품 및 속성

Logtenberg는 "연속 섬유로 인쇄된 부품과 절단 섬유로 인쇄한 부품의 차이를 느낄 수 있습니다."라고 말합니다. "그러나 우리는 아직 속성을 테스트하지 않았습니다." 머신 개발 및 초기 출시가 완료되었으니 다음 작업입니다. "올해 우리는 재료를 완전히 특성화하고 각 재료 조합에 대한 압축 강도, 강성 등이 포함된 데이터 시트를 개발하기 위해 노력할 것입니다."라고 덧붙였습니다.

보이드 함량 및 섬유 부피를 결정하는 것도 이 특성화 작업의 일부입니다. Logtenberg는 "우리의 섬유질 함량은 현재 그렇게 높지 않습니다."라고 인정합니다. "예를 들어 잘게 잘린 섬유질 펠릿을 사용하는 경우 섬유질은 중량 기준으로 30%입니다. 전체 출력과 볼륨이 크기 때문에 연속 섬유를 추가하면 여기에 10%만 추가됩니다.”

공극 함량을 줄이기 위한 압축은 어떻습니까? "노즐 자체가 층을 압축하고 있습니다."라고 Logtenberg는 말합니다. “너는 너비 대 적절한 레이어 높이를 가져야 합니다. 그런 권한이 있으면 레이어 사이에 좋은 접착력을 얻을 수 있습니다." 그는 높이 대 너비의 비율이 인쇄된 레이어의 압축력과 레이어에서 좋은 융합을 얻을 수 있는 충분한 열을 허용하는 올바른 범위에 있어야 합니다. "예를 들어, 높이 5mm, 너비 5mm의 인쇄된 레이어에서는 압축력이 거의 없을 것입니다."라고 그는 말합니다. "5mm 높이 레이어의 경우 10mm 너비가 필요합니다."

CEAD는 CFAM Prime 인쇄 품질을 지속적으로 개선하고 있다고 Logtenberg는 말합니다. “우리는 동적으로 인쇄하기 위한 많은 내부 소프트웨어를 개발했습니다.” 그는 압출기가 재료를 밀어내는 동안 기계가 회전 방향으로 감속해야 하기 때문에 모서리에 문제가 있다고 설명합니다. “우리는 이제 그 문제를 해결했습니다. 예를 들어 공정 제어를 개선하기 위해 센서, 역학 및 레이어 온도를 사용하여 추적을 개발하고 있습니다. .”

CFAM Prime으로 복잡한 모양 인쇄.
출처:CEAD Instagram, 2019년 3월

해양 및 건설용 기계

Logtenberg는 인쇄된 복합 부품이 최종 서비스에 직접 사용될 수 있을 만큼 충분히 우수하기 때문에 CEAD Prime의 산업 생산 능력의 첫 번째 목표는 해양 및 건물 및 기반 시설 시장이라고 말합니다. 실제로 첫 번째 고객은 Royal Roos입니다. (네덜란드 로테르담), 해양 엔지니어링 및 건설 회사, Poly Products (네덜란드 Werkendam), 해양, 건축, 산업, 레크리에이션 및 운송 부문에서 일하는 복합 재료 제조 업체입니다.

즉, CFAM Prime은 특히 해양 구조물의 금형 인쇄에도 사용되고 있습니다. "이것이 우리가 로봇 팔을 개발한 이유입니다. 그리고 CNC 밀링을 추가했습니다. , [Thermwood의] LSAM 기계와 비슷하지만 조금 더 작고 저렴합니다.”

"EU에서는 선박 건조율이 감소했습니다."라고 그는 말합니다. “인건비가 너무 비싸서 생산이 중국으로 갑니다. 그래서 경쟁할 수 있는 방법을 마련하려고 합니다. 우리는 또한 자동차, 항공우주 및 기타 운송과 같은 다른 시장도 살펴보고 있습니다.”

해양 및 건설 시장의 반응은 좋다. "우리는 기계가 무엇을 할 수 있는지 보여주기 위해 많은 프로젝트를 하고 있습니다."라고 Logtenberg는 말합니다. “지난 가을 출시 이후 판매는 우리가 원했던 것보다 느렸습니다. 하지만 지금은 프로젝트 가속화로 순조롭게 진행되고 있습니다. 및 기계 개발.”

이러한 새로운 시장을 위해 CEAD는 새로운 재료를 탐색하고 있습니다. 예를 들어 내화성에 대해 SABIC의 재료를 테스트하고 있습니다. 기차 제조업체와 대화 . 연속 섬유 인쇄 기능이 있는 CFAM을 사용하여 와이어 및/또는 센서로 인쇄할 수도 있습니다. ? Logtenberg는 “우리는 이에 대해 조사하고 있습니다. “우리는 강섬유를 삽입하기 위해 회사와 협력하고 있습니다. , 이것은 또한 전도성입니다.”

미래 비전

많은 전통적인 복합 재료 산업에서 3D 인쇄된 연속 섬유 복합 재료가 섬유 함량이 낮고 인쇄된 층 사이의 박리 가능성이 높은 경우 기존 복합 재료와 어떻게 경쟁할 수 있는지에 대해 의문을 제기하고 있습니다. "확실히 z 방향 강도는 3D 인쇄 복합 재료에서 가장 어려운 것 중 하나입니다."라고 Logtenberg가 동의합니다. “우리는 현재 기존의 복합 재료와 경쟁하지 않습니다. 우리는 생산이 완전히 자동화되어 있기 때문에 미래에 기존 복합 재료와 경쟁할 수 있다고 생각하지만 갈 길이 멉니다. 현재는 현재 제조 방법에 추가되어 유연성을 제공하고 설계 및 생산 가능성을 열어줍니다.”

출시된 CFAM Prime 머신 2018.
출처:CEAD