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Oct 19, 2023

Paradigma

10.03.2023 Debra Levey Larson Ein neues Gerät wurde kürzlich installiert

10.03.2023

Debra Levey Larson

Kürzlich wurde an der University of Illinois Urbana-Champaign eine neue Ausrüstung installiert, die die neueste Technologie der additiven Fertigung auf den Campus bringt. Im Gegensatz zur bekannteren additiven Fertigung aus Kunststoff oder Metall kann diese Maschine große und leichte Strukturverbundstoffe drucken, wie sie in Luft- und Raumfahrtstrukturen verwendet werden. Es ist der erste Endlosfaser-3D-Drucker von Continuous Composites, der außerhalb des Unternehmens und in der Wissenschaft installiert wird.

Jeff Baur, Gründungsprofessor für Ingenieurwesen, erklärt: „Dies ist eine paradigmenverändernde Verbundtechnologie, da sie es ermöglicht, Strukturen mit komplexen Formen zu schaffen, deren mechanische Eigenschaften denen herkömmlicher Verbundwerkstoffe für die Luft- und Raumfahrt nahe kommen. Derzeit werden Hochleistungsverbundwerkstoffe durch Auftragen von Harz hergestellt.“ - Füllen Sie Stoffe oder Fasern von Hand und kochen Sie sie lange Zeit in einem Schnellkochtopf, einem sogenannten Autoklaven. Jetzt legen wir die Fasern mit einem Roboter aus, härten sie in Form aus und härten sie dann in einem Bruchteil der Zeit in einem Ofen aus Aufgrund der Festigkeit der Endlosfasern gehen wir davon aus, dass wir derzeit über den stärksten additiv gedruckten Verbundwerkstoff der Welt verfügen, es gibt jedoch noch viel technischen Nachholbedarf.“

Der CF3D-Drucker ist Teil einer einzigartigen Industrie-/Akademie-Partnerschaft zwischen UIUC und Continuous Composites, Inc. Baur sagte, die Vereinbarung mit Continuous Composites werde einige Lieferungen, technischen Support und Hardware-Updates für sein Labor bereitstellen. Im Gegenzug sagte er: „Wir werden dem Unternehmen ein kostenloses und offenes Feedback zu unseren Erfahrungen mit der Ausrüstung geben, damit es Verbesserungen für seine zukünftigen Kunden vornehmen kann.“

Nach über 25 Jahren bei der Luftwaffe wechselte Baur letztes Jahr zur Fakultät, um das Labor für Verbundwerkstoffverarbeitung und additive Fertigung im Fachbereich Luft- und Raumfahrttechnik zu leiten. Er ist außerdem Teil der Autonomous Materials Systems Group am Beckman Institute.

„Ich sah diese Technologie schon vor vier oder fünf Jahren kommen. Ich wusste, wo wir in Bezug auf Additive für Polymere standen, und es war mir klar, dass wir nie die mechanischen Eigenschaften erreichen würden, die wir für den Erfolg brauchten, wenn wir nicht auf sehr lange oder kontinuierliche Prozesse umstiegen.“ Faser“, sagte er.

Sowohl Baur als auch das Magazin Composite World befragten Unternehmen der additiven Fertigung, die Endloskohlenstofffasern verwenden, und kamen zu dem gleichen Ergebnis. „Bei duroplastischen Verbundwerkstoffen, wie sie in den meisten Luft- und Raumfahrtanwendungen verwendet werden, war Continuous Composites allen anderen voraus.“ Im Gegensatz zu thermoplastischen Verbundwerkstoffen, deren Verfestigung hohe Temperaturen und Drücke erfordert, werden duroplastische Verbundwerkstoffe durch chemische Reaktionen miteinander verbunden. Dies bietet nicht nur eine reichhaltige Palette chemischer Optionen und Eigenschaften, sondern verbraucht auch weniger Energie und ermöglicht eine nachhaltigere Herstellung an der „Wiege“ oder am Beginn der Lebensdauer der Luft- und Raumfahrtstruktur. Der größte Einfluss von Verbundwerkstoffen auf die Nachhaltigkeit besteht natürlich darin, dass Fahrzeuge leichter werden, was zu einem geringeren Energieverbrauch und geringeren Emissionen über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs führt.“

Baur beschrieb ein Beispiel dafür, wie diese neue Technologie die Nachhaltigkeit auch am „Grab“ oder am Ende der Lebensdauer eines Teils angehen kann. Aufgrund der Haltbarkeit der meisten duroplastischen Verbundwerkstoffe ist es schwierig, die teuren Fasern aus der Harzmatrix zurückzugewinnen und sie anschließend zu recyceln oder wiederzuverwenden. Große Verbundstrukturen wie beispielsweise Rotorblätter von Windkraftanlagen haben eine Lebensdauer von 30 Jahren und werden dann auf Mülldeponien vergraben. „Durch ein kürzlich vom Energieministerium finanziertes Zentrum namens RE-MAT, das von der UIUC über das Beckman Institute geleitet wird, entwerfen Forscher Harzmoleküle, die sich unter den richtigen Bedingungen entpacken lassen, um die Fasern rückgewinnbar, das Harz recycelbar und beides zu machen.“ wiederverwendbar. Additiv gedruckter Verbundwerkstoff kann die Evaluierung und Entwicklung dieser neuen Materialien beschleunigen und eine Kreislaufwirtschaft für duroplastische Verbundwerkstoffe ermöglichen.

Zusätzlich zu einer feierlichen Banddurchschneidung koordinierte Baur ein Symposium, bei dem technische Führungskräfte von UIUC, Continuous Composites, dem Air Force Research Lab, Arkema, Hexcel, Siemens und Comeau zusammenkamen.

Die Ausrichtung der Veranstaltung war entscheidend. „Das ist nicht die Art von Veranstaltungen, zu denen Wissenschaftler normalerweise eingeladen werden“, sagte Baur. „Aber am Symposium nahmen Regierung, Industrie und Wissenschaft teil. Es war eine Möglichkeit, alle Beteiligten zusammenzubringen, um über eine gemeinsame Vision zu sprechen. Jeder wollte sie sehen. Es war ein großer Moment für die Technologie.“ ."

Laut Baur wird der CF3D-Drucker in der Forschung auf mehreren Ebenen zum Einsatz kommen.

„Stellen Sie sich vor, Sie haben eine neue Faser, eine neue Verstärkung, vielleicht eine biologisch gewonnene Faser, und Sie möchten daraus einen Strukturverbundwerkstoff herstellen. Diese Maschine sollte damit umgehen können. Auf einer ganz anderen Ebene können wir diese Maschine verwenden.“ um große Strukturen wie Windkanal-Prototypen oder Strukturen herzustellen, die im Weltraum eingesetzt werden können. Wenn Sie mit strukturellen Verbundwerkstoffen drucken, kann Ihr Prototyp das Leistungsniveau erreichen, das Sie für die endgültige Struktur benötigen.“

Baur verfügt bereits über ein Team von Luft- und Raumfahrtstudenten, die an verschiedenen Projekten arbeiten.

„Wir können an der University of Illinois Arbeit leisten, die sowohl grundlegend als auch wirkungsvoll für die Industrie ist“, sagte er. „Einer meiner Studenten entwickelt neue Methoden zur Topologieoptimierung dieser gedruckten Strukturen. Einer arbeitet an formverändernden Verbundwerkstoffen mithilfe neuartiger Verbunddesigns. Ein anderer arbeitet an der Charakterisierung des Additivharzes, das recycelbare duroplastische Verbundwerkstoffe ermöglicht. Und die meisten werden verwenden diese Maschine in gewisser Weise.

„In der Zukunft werden wir uns mit neuen Materialien, neuen Formulierungen von Verbundwerkstoffen, neuen Designs dieser Verbundwerkstoffe und neuen Anwendungen für diese Verbundwerkstoffe befassen, einschließlich adaptiver Strukturen und sogar der Multifunktionalität mit eingebetteten Geräten.“