moi 복합 재료를 사용한 연속 섬유 제조(CFM)

연속 섬유 3D 프린팅 및 증착이 추진력을 얻고 있습니다. 이를 사용하고 발전시키는 회사의 수가 증가함에 따라 이 기술은 의심할 여지 없이 복합재 산업을 형성할 것입니다.

첫째, 금형이나 도구 없이 제작할 수 있습니다. 둘째, 다기능 구조(예:전기 전도도, 모양 변경, 감지)를 제공합니다. 셋째, 3D 프린팅 위에 적층 및 프린팅 중 밀링과 같은 하이브리드 제조의 세계와 니티놀 SMA(형상 기억 합금) 섬유에서 전도성 나노복합체 솔루션에 이르기까지 거의 끝없는 재료 개발 환경의 문을 엽니다. 액체 증착 모델링(LDM)용. 후자는 그 자체로 하나의 완전한 세계이며 앞으로 블로그에서 다시 다룰 것입니다.

특허 WO2017085649A1 및 Atropos 인쇄 시스템. 출처:moi 합성물.

Moi 복합 재료는 재료 엔지니어이자 교수인 Marinella Levi, 디자인 엔지니어 Gabriele Natale 및 건축가 Michele Tonizzo에 의해 2018년 2월에 설립되었습니다. 2013년 Levi 교수는 Politecnico di Milano(이탈리아 밀라노)에서 3D 프린팅 작업을 시작했습니다. 2014년까지 그녀는 대학의 화학, 재료 및 화학 공학 "Giulio Natta" 부서에서 +LAB를 구성했습니다. 그녀의 비전은 엔지니어, 디자이너, 연구원 및 제작자를 다분야 협업 3D 프린팅 허브로 끌어들임으로써 R&D, 교육 및 재료 혁신을 융합하는 것이었습니다.

2014년 연속 섬유 열경화성 복합 재료를 3D 프린팅하기 위한 첫 번째 도구 2015 특허 WO2017085649A1 2016 Owens Corning 및 KUKA Robotics와의 파트너십,
아트로포스 프로젝트 및 인쇄 시스템 2017 Autodesk와 파트너십을 맺은 JEC 혁신상,
제임스 다이슨 어워드 준우승,
COMAU 자동화와 파트너십
(전체 타임라인)

"우리는 상용 부품을 생산하고 국제 프로젝트에 참여하고 싶었기 때문에 moi 복합 재료를 시작했습니다."라고 Michele Tonizzo는 설명합니다. “우리는 시장이 많다는 것을 발견했습니다. 우리는 주로 유리 섬유를 사용하여 해양, 석유 및 가스 및 항공 우주 응용 분야의 생물 의학 부품 및 부품을 만들고 있습니다. CFM 기술은 기존 방법으로는 불가능했던 고유한 솔루션을 제조할 수 있습니다."

연속 유리 섬유를 사용하는 내부 구조 트러스가 있는 3D 인쇄 프로펠러 블레이드(상단). 이 프로젝트는 또한 비선형 곡선을 따른 섬유 배치(왼쪽 하단)와 기존 섬유 방향(예:0°,+45)을 사용한 연속 섬유 적층체를 시연했습니다. °, -45°, 90°, 오른쪽 하단). 출처:moi 합성물

수지 및 섬유 범위

Atropos는 불연속 및 연속 섬유 강화 열경화성 폴리머를 레이어별로 인쇄할 뿐만 아니라 비선형 곡선을 따라 인쇄하는 능력을 보여주었습니다. 폴리머를 제자리에 경화시키기 위해 자외선(UV)을 사용했습니다. "현재 우리는 에폭시, 아크릴 및 비닐에스테르에 UV 경화로 인쇄할 수 있습니다."라고 Tonizzo는 말합니다. 그는 아크릴이 투명하고 경화/후 경화에 온도가 필요하지 않기 때문에 건축 부품에 적합하다고 말합니다. Vinylester는 해양 부품에 사용되며 Epoxy는 석유 및 가스 및 항공 우주 부품에 사용됩니다.

Tonizzo는 "일부 응용 분야의 경우 UV 경화는 초기 단계일 뿐이며 우리는 기존 가열로 후 경화합니다."라고 말합니다. “우리는 UV 경화에 얽매이지 않습니다. 우리는 UV가 아닌 경화 폴리머로 인쇄했으며 더 높은 속성의 적용을 위해서는 다른 매트릭스 옵션이 필요하다는 것을 이해하고 있습니다.” 참고로 가장 많이 사용되는 수지인 비닐에스터의 유리전이온도(Tg)는 약 140°C입니다.

"우리는 또한 탄소 섬유로 작업하고 있지만 UV 경화 수지로는 작업하지 않습니다."라고 Tonizzo는 말합니다. 그는 섬유 투명도 및 색상은 UV 경화에 영향을 미칩니다. “탄소의 문제는 불투명하다는 것입니다. 그리고 검은 색. 최악의 조합입니다. 우리는 가장 쉬운 기술이 아니라 소재로서의 탄소 섬유에 대한 최상의 솔루션을 개발하고자 합니다. 사용할 수 있는 다른 경화 재료 옵션이 많이 있으므로 이를 조사하고 있습니다.”

Moi 합성물은 전기/열 기능, 감지, 모양 변경 등을 위한 연속 전도성 섬유를 인쇄합니다. 출처:moi 합성물.

Moi 복합 재료는 최대 2400tex(Owens Corning 데이터시트당 최대 직경 24μm의 207yd/lb)까지 연속 유리 섬유를 인쇄했으며 천연 섬유를 테스트하고 있습니다. 또한 현무암 섬유로 인쇄되었습니다. Tonizzo는 "UV 경화 및 현무암 섬유는 실제로 약간 투명하고 검정색보다 더 갈색이기 때문에 매우 잘 인쇄할 수 있습니다."라고 설명합니다.

전류를 전도하는 섬유도 CFM 기술에 사용될 수 있습니다. 필요에 따라 인쇄 중인 구조에 배치할 수 있습니다. +LAB 웹사이트에 나열된 프로젝트 중 하나는 기억 형상 합금인 니티놀 섬유를 보여줍니다. "그래서 모양을 바꾸는 구조를 만들 수 있습니다."라고 Tonizzo는 말합니다. "예를 들어, 프리스트레스 콘크리트와 같은 다른 섬유의 응력을 해제하는 데 사용할 수 있습니다."

하이브리드 제조의 일부인 3D 프린팅

Atropos는 0.5 x 0.5 x 0.5m 높이의 인쇄 봉투가 있는 Kuka 로봇 팔을 사용합니다. "우리는 현재 2세대 시스템인 1.0 x 0.5 x 0.8m 높이의 엔벨로프를 사용하여 Comau 로봇에서 인쇄하고 있습니다."라고 Tonizzo는 말합니다. "또한 회전 테이블이 있는 더 큰 로봇을 사용하고 1.5 x 1.5 x 1m 높이의 빌드 볼륨을 사용했으며 우리 기술을 쉽게 확장할 수 있음을 보여주었습니다."

Moi는 또한 섬유, 센서, 절단 메커니즘 및 밀링 도구에 압력을 가하는 시스템을 갖춘 3세대 올인원 프린트 헤드를 개발 중입니다. Tonizzo는 이것이 3D 프린팅과 자동 섬유 배치(AFP) 사이의 격차를 좁힐 것이라고 말했습니다. ). “3D 프린팅은 AFP의 성능을 달성하지 못하지만 CFM은 더 많은 유연성을 제공합니다. 우리는 이미 0.25mm 두께의 섬유로 인쇄할 수 있으며 곡선을 만들고 연속 섬유를 이상적인 위치에 배치할 수 있습니다.”라고 덧붙였습니다.

수퍼리오는 최소 무게, 편향 및 비용에 최적화된 하지 의수.
그런 다음 3D 인쇄된 구조 코어를 탄소 섬유와 에폭시 수지로 적층한 다음 VBO 경화를 수행했습니다. 출처:moi 합성물.

Tonizzo는 "3D 프린팅은 작업 흐름 최적화를 포함하여 가장 잘하는 일에 사용해야 합니다."라고 말합니다. 예를 들어 언더컷과 스마트 섬유 방향이 있는 내부 코어를 3D 인쇄할 수 있습니다. 그런 다음 상단에 일반적인 핸드 라미네이션을 사용하고 오토클레이브 또는 진공 백으로만 경화합니다." 그는 기존에 금형으로 만들 수 없었던 부분을 설명합니다. “우리는 내부 코어를 인쇄한 다음 라미네이트로 싸서 110°C 및 2bar의 압력에서 몇 시간 동안 오토클레이브 경화했습니다. 부분이 잘 나왔다”고 말했다. 이 부분은 비공개 계약으로 처리되어 더 이상의 세부 사항은 제공되지 않지만 moi는 유사한 방식으로 SuPerIOR 보철물을 생산했으며 오토클레이브가 아닌 VBO(진공 백)로만 경화되었습니다. "모든 내부는 하나의 연속 유리 섬유를 사용하지만 외부 라미네이트는 핸드 레이업 탄소 섬유 직물과 에폭시 수지입니다."라고 그는 설명합니다. 전체 디자인은 편향을 줄이고 맞춤화를 증가시키면서 비용과 생산 시간을 크게 줄입니다.

복셀 기반 최적화 소프트웨어

Tonizzo는 부품 설계 프로세스가 Autodesk의 복셀 기반 알고리즘과 응력 및 경로 최적화를 위한 moi의 알고리즘을 결합한다고 설명합니다. 이것이 구조에 최적화된 섬유 경로를 생성하는 것입니다. 소프트웨어는 또한 가장 제조 가능한 경로를 선택하도록 작동합니다. "이것은 반복적인 프로세스입니다."라고 Tonizzo는 말합니다. “디자인은 제너레이티브 디자인처럼 완전히 자동화되지 않습니다. 선택하려면 여전히 엔지니어가 필요합니다. 하지만 AI만이 아니라 디자이너와 소프트웨어가 결합된 방식이어야 한다고 생각합니다.”

다중 재료 미래, 강력한 시장 잠재력

Atropos에서 인쇄된 프로펠러 블레이드의 이미지 중 하나에는 거의 짜여진 패턴을 보여주는 클로즈업이 있습니다. "이것은 실제로 짜여진 것이 아니지만 곧 가능할 것입니다."라고 Tonizzo는 말합니다. 그는 나를 +LAB 웹사이트의 사인파 프로젝트로 안내합니다. “보여진 시연자들은 +LAB의 연구원들이 하는 동안 짧은 섬유와 LDM[액체 증착 모델링] 프로세스를 사용하여 플라스틱으로 3D 인쇄했습니다. 그때 사용한 알고리즘은 현재 연속 섬유로 발전하고 있는 것과 동일합니다.”

+LAB의 Sine Wave는 조정 가능한 탄성 응답으로 3D 인쇄된 폴리머 충전 패턴을 보여줍니다. 출처:+LAB.

+LAB 웹사이트에서 이러한 유형의 인쇄에 대한 재료 혁신과 가능성이 거의 무한하다는 것이 분명합니다. 문제는 수요가 많은 솔루션에 가장 많은 기회와 잠재력을 제공하는 것이 무엇이냐는 것입니다. 한편, 재료 공급 업체는 지속적인 개발을 지원하고 있습니다. 예를 들어, Owens Corning은 세라믹 및 콘크리트와 같은 매트릭스가 더 많은 유리 섬유를 시연하는 데 관심이 있습니다. 분명히 이것은 건축 및 건설 응용 분야에 매우 흥미롭고 디지털 제작 및 에너지 효율적인 건설, 오프사이트 사전 제작 모듈 및 경량을 강조하는 천연 및 재활용 재료를 통한 지속 가능성 개선에 대한 현재 추세를 고려할 때 상당한 잠재력을 가질 수 있습니다. "Politecnico di Milano의 Giulio Natta 부서는 콘크리트처럼 거동하는 지오폴리머 인쇄를 위한 EU 프로젝트에 있습니다."라고 Tonizzo는 덧붙입니다. “시간이 지나면 저절로 경화되지만 인쇄하는 동안 점토와 같은 일관성을 유지하여 더 나은 흐름을 만듭니다. 우리는 새로운 폴리머와 섬유뿐만 아니라 이 분야에서 확실히 계속 일할 것입니다.”

Moi 합성물은 또한 콘크리트처럼 작용하는 지오폴리머로 인쇄합니다.
출처:+LAB.

기계를 판매하시겠습니까? "예, 하지만 미래에는"라고 Tonizzo는 말합니다. "지금은 우리의 노하우, 프린트 헤드 및 소프트웨어를 사용하여 주문형 부품 솔루션을 실현하여 부품을 생산하고 고객의 시설에 기술을 제공하고 있습니다." 그는 작년에 CFM 얼리 어답터와 함께 기술을 개선하고 다양한 시장의 다양한 부품에 대한 비즈니스 사례를 입증하기 위해 노력한 moi 복합 재료는 이제 상업 시장 기회를 위해 CFM 기계 및 프로세스를 추가로 확장할 투자자를 찾고 있다고 덧붙였습니다.