アディティブマニュファクチャリングの再考：大規模な繊維強化熱硬化性印刷

複合材料アプリケーション機器の大手メーカーであるMagnumVenus Products（MVP）は、2017年にリアクティブアディティブマニュファクチャリング（RAM）マシンの開発を開始しました。同年、熱硬化性ポリマー、ゲルコート、SMCのサプライヤーであるPolyntがオークリッジとの協力を開始しました。国立研究所（ORNL）は、RAMシステムで使用する反応性材料を開発します。 CAMX 2018（10月15〜18日、テキサス州ダラス）までに、チームの取り組みは、熱硬化性材料用の大面積3Dプリンターに対するACE Infinite PossibilityAwardを受賞しました。今週、 CW これら3つのパートナーが、ORNLのエネルギー省（DOE）製造デモンストレーション施設（MDF）で、世界初の大規模な熱硬化性複合積層造形システムを実証する打ち上げイベントに参加しました。

MVPのリアクティブアディティブマニュファクチャリング（RAM）マシンとPolynt Reactive Deposition PRD-1520印刷物は、オークリッジ国立研究所（ORNL）で実演されています。ソース| CW

リアクティブアディティブマニュファクチャリング（RAM）

UV硬化性熱硬化性樹脂を使用した3D印刷を可能にする技術が開発されましたが、RAMおよびPolynt Reactive Deposition PRD-1520印刷メディアは、反応性樹脂を使用する最初の大規模システム（現在のビルドエンベロープは8フィートx16フィートx3.5フィート）を構成します。 UV活性化なしで周囲温度で硬化します。この技術は、低コストの固定具、熱成形ツール、オートクレーブ金型、および幅広いアプリケーションを対象としています。 「RAMは、熱特性が改善された、より強力でエネルギー効率の高い製品を提供します」とMVPCEPのBobVanderhoff氏は説明します。

RAMシステムには、大型の印刷プラットフォームと床に取り付けられたMVPポンプシステムが含まれ、印刷ヘッドのみがコンピューター制御のガントリーに取り付けられています。ポンプシステムは、短いガラス繊維強化ビニルエステル樹脂と過酸化物開始剤を正確に測定し、プリントヘッドのスタティックミキサーに計量します。次に、混合樹脂は、ほとんどの溶融堆積モデリング（FDM）システムと同様に、ノズルから押し出されます。 「直径1.2ミリメートルのノズルを使用すると、印刷速度は約1.2メートル/秒になります」と、積層造形（A.M.）の熱硬化性ポリマー/複合材料のORNLテクニカルリードであるジョンリンダールは述べています。 「RAMは、ほぼ7 kg / hr（15 lb / hr）の高出力を提供しながら、FDMスケールの機能を実現できます。」

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

ビルドプラットフォームはモジュール式で、8つのセグメントで構成されています。 「これらはそれぞれ簡単に削除してインデックスに登録できます 」と、ORNL製造科学グループのリーダーであるVlastimilKunc氏は述べています。 「私は指だけでこれらを動かすことができるので、後硬化または機械加工したい場合は、1つを引き出して別のものと交換することができます。」次に、これによりプロセスがモジュール化され、大量の部品生産に合わせて拡張できるようになります。 「また、統合されたピックアンドプレースロボット 必要に応じて、センサー、熱電対、RFIDタグ、発熱体などをRAMに組み込むことができます」と彼は付け加えています。

「RAMには、ビルド中の発熱と温度を監視するための赤外線カメラと光学センサーも装備されています」とLindahl氏は述べています。 「私たちは、半無限の壁で使用する1D熱化学レオロジーモデルを開発しました。これは、これらの材料で構築するのが最も難しい機能です。このモデルは、印刷樹脂と反応に基づいて、必要なレイヤー時間、印刷速度（体積出力）、および発熱量を示します。これらすべてが、 RAM印刷パラメータの最適化のガイドになります。 ゲル化、硬化、完全に完成した印刷中の印刷樹脂の粘弾性挙動を完全に理解します。」

RAMプリンターには、ORNLの熱化学レオロジーモデルで定義されているように、発熱と最適化されたパラメーターへの適合性を監視する赤外線カメラと光学センサーが装備されています。ソース| CW

効率のためのポリント反応性堆積（PRD-1520）

PRD-1520は、ポンピングおよび3D印刷用に高粘度（250〜300万cP）で設計された、事前に促進され、事前に配合された不飽和ビニルエステル樹脂です。これは、MVP RAMプリンターで使用するために設計されており、収縮率が低く、荷重たわみ温度（HDT）が94°C / 201°F、ガラス転移温度が107°C / 225°Fです。これは、3D印刷フィラメントのサプライヤーによると、PLA、ABS、ナイロンのそれぞれ56°C、88-98°C、110°CのHDTと比較されます。 「しかし、PRD-1520の特許出願中の化学的性質により、印刷された層間の化学結合が可能になります。 、これにより、熱可塑性プラスチックと比較して2〜4倍のz方向強度を含む、3D印刷構造の特性が向上します」と、Polynt R＆DディレクターのSteveVoeks氏は説明します。彼はまた、樹脂の長いオープンタイム（ゲル化時間20〜25分）に言及しました。これにより、「開始と停止があり、層間に長い間隔がある大きな構造を印刷できます」。以前に堆積されたがまだ柔らかい材料に印刷するこの機能により、ツールパスの自由度が大幅に向上します。

「私たちが行ったツールパスの開発は、熱硬化性材料に固有のものです」とLindahl氏は説明します。 「スパースインフィルから始めて、ゼロボイドレイヤーでトッピングすることで、非常に効率的な構造を印刷できます 。まず、0°/ 90°のレイヤーを交互に配置し、次に0°と90°のプリントパスを単一のトランジションレイヤーに配置します。その後、その上にソリッドプリントレイヤーを配置します。これにより、印刷物を大幅に削減しながら、大きな表面を印刷できます。 重量、印刷時間、コストも同様です。」この技術を説明するテクニカルペーパーは、ORNLのポスドク研究員であるChris Hersheyによって、9月26日木曜日の午前10時にCAMX2019で発表されます。 「ソリッドペリメーターを備えたスパースインフィル構造の大規模な反応性押出成形」は、すでにCAMX2019の優れたテクニカルペーパーとアディティブマニュファクチャリングカンファレンストラックのベストペーパーを受賞しています。

「PRD-1520を使用すると、RAMは現在最もエネルギー効率が高い ポリマーおよび複合材料用の3Dプリンター」とLindahl氏は言います。特に、熱硬化性材料は加熱されたテーブルやチャンバーを必要としません。また、熱可塑性ペレットを溶かすのに通常必要な熱も必要ありません。

「次世代の反応性ポリマー積層造形を検討しているPolyntおよびMVPとの相互に有益なコラボレーションを楽しんでいます」と、MDFディレクターのBillPeterは述べています。 「DOEのAdvancedManufacturing Officeの支援を受けて、このテクノロジーを改善し、基礎となる科学をよりよく理解するための基礎研究を継続し、業界パートナーとのさらなるエネルギー効率の高いプロセスとアプリケーションを実証する予定です。」

詳細については、CAMX 2019（9月23〜26日、アナハイム、カリフォルニア州）のブースG2のMVPおよびブースS25のORNLにアクセスするか、MVPのHannah Jay、PolyntのRick Pauer、またはORNLのJenniferBurkeにお問い合わせください。