革新增材制造：大规模纤维增强热固性树脂3D打印

复合材料应用设备领先制造商Magnum Venus Products（MVP）于2017年启动反应性增材制造（RAM）机研发。同年，热固性聚合物供应商Polynt与橡树岭国家实验室（ORNL）合作开发用于RAM系统的反应性材料。至CAMX 2018（10月15-18日，达拉斯），团队凭借热固性材料大面积3D打印机荣获ACE无限可能奖。本周，CW受邀参加在能源部（DOE）制造示范设施（MDF）举行的发布会，三方合作伙伴演示全球首套大规模热固性复合材料增材制造系统。

MVP反应性增材制造（RAM）机与Polynt反应性沉积PRD-1520打印材料在橡树岭国家实验室（ORNL）演示。来源 | CW

反应性增材制造（RAM）

尽管已有UV固化热固性树脂3D打印技术，但RAM与Polynt PRD-1520打印材料构成首个大规模系统——当前构建包络8英尺×16英尺×3.5英尺——采用常温固化无需UV激活的反应性树脂。该技术瞄准低成本夹具、热成型工具、高压釜模具及更广泛应用。“RAM提供更强、更节能、热性能更优的产品，”MVP首席执行官Bob Vanderhoff解释。

RAM系统含大型打印平台和落地式MVP泵系统，仅打印头安装于计算机控制龙门架。泵系统精准计量短切玻纤增强乙烯基酯树脂与过氧化物引发剂至打印头静态混合器。混合树脂经喷嘴挤出，类似熔融沉积建模（FDM）系统。“用1.2毫米直径喷嘴，打印速度约1.2米/秒，”ORNL热固性聚合物/复合材料增材制造技术负责人John Lindahl说。“RAM可实现FDM级特征分辨率，产出率近7公斤/小时（15磅/小时）。”

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

构建平台模块化，由八段组成。“每段易于拆卸与索引，”ORNL制造科学组组长Vlastimil Kunc说。“我用手指就能移动，可取出一段替换另一段进行后固化或加工。”这使工艺模块化，可扩展至大批量零件生产。“我们还集成拾放机器人功能，可按需嵌入传感器、热电偶、RFID标签、加热元件等。”

“RAM还配备红外相机和光学传感器，监控构建过程中的放热与温度，”Lindahl补充。“我们开发了1D热-化学-流变模型，采用半无限壁这一最难打印特征。模型基于打印树脂与反应，告诉我们需要的层间时间、打印速度（体积产出）和放热温度。所有这些指导我们优化RAM打印参数，充分理解打印树脂在凝胶化、固化及成品过程中的粘弹性行为。”

RAM打印机配备红外相机和光学传感器，监控放热并符合ORNL热-化学-流变模型定义的优化参数。来源 | CW

Polynt反应性沉积（PRD-1520）赋能高效打印

PRD-1520是预促进、预混合不饱和乙烯基酯树脂，粘度高（250-300万cPs）适合泵送和3D打印。专为MVP RAM打印机设计，收缩低，热变形温度（HDT）94°C/201°F，玻璃化转变温度107°C/225°F。对比PLA、ABS、尼龙的HDT分别为56°C、88-98°C、110°C（据3D打印耗材供应商数据）。“但PRD-1520专利化学实现打印层间化学键合，使3D打印结构性能大幅提升，包括Z向强度比热塑性塑料高2-4倍，”Polynt研发总监Steve Voeks解释。他还指出树脂长开放时间（凝胶时间20-25分钟），“可打印大型结构，支持层间启停和长间隔。”在先前沉积且仍柔软的材料上继续打印，显著增加刀具路径自由度。

“我们的刀具路径开发专为热固性材料设计，”Lindahl解释。“可通过疏松内部填充+零空洞实心外壳打印高效结构：起始交替0°/90°层，过渡层合并0°和90°路径，顶层实心打印。这在大幅减少打印材料、重量、时间和成本的同时实现大面积打印。”技术论文将于CAMX 2019（9月26日周四10:00）由ORNL博士后Chris Hershey发表，题为“实心边界的大规模疏松内部填充反应性挤出沉积结构”，已获CAMX 2019杰出技术论文奖及增材制造会议轨道最佳论文奖。

“使用PRD-1520，RAM目前是聚合物和复合材料最节能的3D打印机，”Lindahl说。热固性材料无需加热平台或腔体，也无需熔融热塑性颗粒所需的热量。

“我们与Polynt和MVP在下一代反应性聚合物增材制造上的互惠合作令人愉悦，”MDF主任Bill Peter说。“在DOE先进制造办公室支持下，我们将继续基础研究改进技术、深化科学理解，并与产业伙伴演示更多节能工艺和应用。”

了解更多请访问CAMX 2019（9月23-26日，加州安纳海姆）MVP展位G2和ORNL展位S25，或联系MVP的Hannah Jay、Polynt的Rick Pauer、ORNL的Jennifer Burke。