重新构想增材制造：大规模纤维增强热固性打印

Magnum Venus Products (MVP) 是复合材料应用设备的领先制造商，于 2017 年开始开发其反应性添加剂制造 (RAM) 机器。同年，热固性聚合物、凝胶涂层和 SMC 供应商 Polynt 开始与 Oak Ridge 合作国家实验室 (ORNL) 开发用于 RAM 系统的反应材料。在 CAMX 2018（10 月 15 日至 18 日，德克萨斯州达拉斯）上，该团队的努力因其用于热固性材料的大面积 3D 打印机而获得 ACE 无限可能性奖。本周，CW 参加了一场发布会，这三个合作伙伴在 ORNL 的能源部 (DOE) 制造示范设施 (MDF) 展示了世界上第一个大型热固性复合材料增材制造系统。

MVP 的反应性增材制造 (RAM) 机器和 Polynt 反应性沉积 PRD-1520 打印材料在橡树岭国家实验室 (ORNL) 进行了演示。来源 | 连续波

反应式增材制造 (RAM)

尽管已经开发出能够使用 UV 固化热固性材料进行 3D 打印的技术，但 RAM 和 Polynt 反应沉积 PRD-1520 打印介质构成了第一个使用反应性树脂的大型系统——当前的构建外壳为 8 英尺 x 16 英尺 x 3.5 英尺在环境温度下固化，无需紫外线激活。该技术针对低成本夹具、热成型工具和高压釜模具，以及更广泛的应用。 MVP CEP Bob Vanderhoff 解释说：“RAM 提供更强大、更节能的产品，并具有改进的热性能。”

RAM 系统包括大型打印平台和落地式 MVP 泵送系统，只有打印头安装在计算机控制的机架上。泵送系统准确地测量并计量进入打印头静态混合器的短玻璃纤维增​​强乙烯基酯树脂和过氧化物引发剂。然后将混合树脂通过喷嘴挤出，类似于大多数熔融沉积建模 (FDM) 系统。 “使用 1.2 毫米直径的喷嘴，打印速度约为 1.2 米/秒，”ORNL 增材制造 (A.M.) 热固性聚合物/复合材料技术负责人 John Lindahl 说。 “RAM 可以实现 FDM 规模的功能，同时仍能提供近 7 公斤/小时（15 磅/小时）的高输出。”

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

构建平台是模块化的，由八个部分组成。 “每一个都轻松删除和编入索引 ，”ORNL 制造科学小组负责人 Vlastimil Kunc 指出。 “我可以用我的手指移动这些，所以如果你想后固化或机加工，你可以拉出一个并用另一个替换它。”然后将流程模块化，以便可以扩展以进行大批量零件生产。 “我们还集成了拾放机器人 例如，可以根据需要将传感器、热电偶、RFID 标签和加热元件嵌入 RAM 中，”他补充道。

“RAM 还配备了红外摄像头和光学传感器，以监控构建过程中的放热和温度，”Lindahl 指出。 “我们开发了一种一维热化学流变模型，我们将其与半无限壁一起使用，这是用这些材料建造的最难的特征。该模型根据打印树脂和反应告诉我们，您需要多长时间、打印速度（体积输出）以及放热的温度。所有这些都指导我们优化 RAM 打印参数 并充分了解打印树脂在凝胶、固化和完全打印过程中的粘弹性行为。”

RAM 打印机配备了红外摄像头和光学传感器，可监控放热和优化参数的一致性，如 ORNL 的热化学流变模型所定义。来源 | 连续波

聚合物反应沉积 (PRD-1520) 提高效率

PRD-1520 是一种预促进、预混合的不饱和乙烯基酯树脂，具有高粘度（2.5-3.0 百万 cPs），用于泵送和 3D 打印。它设计用于 MVP RAM 打印机，具有低收缩率和 94°C/201°F 的热变形温度 (HDT) 和 107°C/225°F 的玻璃化转变温度。据 3D 打印线材供应商称，这与 PLA、ABS 和尼龙的 HDT 分别为 56°C、88-98°C 和 110°C 相比。 “然而，PRD-1520 正在申请专利的化学物质能够印刷层之间的化学键 ，这增加了 3D 打印结构的性能，包括与热塑性塑料相比，z 方向强度提高了 2 到 4 倍，”Polynt 研发总监 Steve Voeks 解释说。他还指出树脂的开放时间长（凝胶时间为 20-25 分钟），“这使得打印具有开始和停止以及层间长间隔的大型结构成为可能。”这种在先前沉积但仍然柔软的材料上打印的能力显着增加了刀具路径的自由度。

“我们所做的刀具路径开发是热固性材料所独有的，”Lindahl 解释说。 “我们可以从 稀疏填充开始打印非常有效的结构，然后用零空隙层覆盖它 .我们从交替的 0°/90° 层开始，然后是单个过渡层中的 0° 和 90° 打印路径，然后在上面铺上实心打印层。这使您可以打印大表面，同时显着减少打印材料 以及重量、打印时间和成本。” ORNL 博士后研究员 Chris Hershey 将于 9 月 26 日星期四上午 10 点在 CAMX 2019 上发表解释这项技术的技术论文。 “Large-Scale Reactive Extrusion Deposition of Sparse Infill Structures with Solid Perimeters”已获得CAMX 2019杰出技术论文和增材制造会议轨道最佳论文。

“使用 PRD-1520，RAM 是目前最节能 用于聚合物和复合材料的 3D 打印机，”Lindahl 说。值得注意的是，热固性材料不需要加热台或室。也不需要通常熔化热塑性颗粒所需的热量。

“我们与 Polynt 和 MVP 进行了互惠互利的合作，着眼于下一代反应性聚合物增材制造，”MDF 总监比尔彼得说。 “在美国能源部先进制造办公室的支持下，我们计划继续进行基础研究，以改进这项技术并更好地了解基础科学，同时与我们的行业合作伙伴展示进一步的节能工艺和应用。”

如需了解更多信息，请访问 CAMX 2019（9 月 23 日至 26 日，加利福尼亚州阿纳海姆）的 G2 展位和 ORNL S25 展位的 MVP，或联系 MVP 的 Hannah Jay、Polynt 的 Rick Pauer 或 ORNL 的 Jennifer Burke。