Additive manufacturing bouwde een vroege aanhang op met 3D-printers die polymeren gebruikten om een ​​solide object te creëren op basis van een Computer-Aided Design-model. De gebruikte materialen waren nette polymeren - perfect voor een snel prototype, maar niet algemeen gebruikt als constructiemateriaal.

Een nieuwe golf van additieve fabricage maakt gebruik van polymeercomposieten die als epoxyhars uit een spuitmond worden geëxtrudeerd, maar versterkt met korte, gehakte koolstofvezels. De vezels maken het materiaal sterker, net als wapening in een betonnen stoep. Het resulterende object is veel stijver en sterker dan een hars op zich.

De vraag die een recent onderzoek van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign heeft gesteld om antwoord te geven op de vraag welke configuratie of patroon van koolstofvezels in de lagen geëxtrudeerde hars zal resulteren in het stijfste materiaal.

Jan Lambros, Willett-professor in de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek en directeur van het Advanced Materials Testing and Evaluation Laboratory aan de U of I werd benaderd door een onderzoeksgroep voor additieve productie van het Lawrence Livermore National Laboratory om composietonderdelen te testen die ze hadden gemaakt met een directe inktschrijftechniek.

"De koolstofvezels zijn klein, ongeveer zeven micron in diameter en 500 micron lang, "Zei Lambros. "Het is makkelijker met een microscoop, maar je kunt zeker een bundel met het blote oog zien. De vezels zijn meestal uitgelijnd in de geëxtrudeerde hars, dat is als een lijm die de vezels op hun plaats houdt. De Lawrence Livermore-groep zorgde voor de onderdelen, gemaakt met verschillende configuraties en één gemaakt zonder ingebedde vezels als controle. Een van de onderdelen was theoretisch geoptimaliseerd voor maximale stijfheid, maar de groep wilde definitieve experimentele bevestiging van het optimalisatieproces."

Lambros zei dat in afwachting van de daadwerkelijk additief vervaardigde composietmonsters, Lambros en zijn leerling maakten hun eigen "dummy" samples van plexiglas, en op die manier kon het testen van de dummies beginnen.

In dit geval, de vorm die werd getest was een gaffelverbinding - een kleine, ovale plaat met twee gaten die worden gebruikt om twee andere oppervlakken te verbinden. Voor elke verschillende monstervorm, Lambros' lab moet een unieke laadinrichting maken om het te testen.

"Wij maken de stands, de grepen, en alles - hoe ze zullen worden geschilderd, hoe de camera's de tests opnemen, enzovoort, "Zei Lambros. "Toen we de echte monsters kregen, ze hadden niet precies dezelfde vorm. De dikte was een beetje anders dan onze plexiglas exemplaren, dus maakten we nieuwe afstandhouders en werkten het uiteindelijk uit. Van de kant van de mechanica, we moeten heel voorzichtig zijn. Het is noodzakelijk om precisie te gebruiken om er zeker van te zijn dat eventuele certificering van additief vervaardigde onderdelen correct wordt uitgevoerd."

"We hebben een experimenteel raamwerk gecreëerd om het optimale patroon van het met korte vezels versterkte composietmateriaal te valideren, "Zei Lambros. "Toen de laadmachine de gaffelplaten spande, we gebruikten een digitale beeldcorrelatietechniek om het verplaatsingsveld over het oppervlak van elk monster te meten door de beweging te volgen in de pixelintensiteitswaarden van een reeks digitale afbeeldingen die zijn genomen terwijl het monster vervormt. Een willekeurig spikkelpatroon wordt op het monsteroppervlak aangebracht en dient om subsets van de digitale beelden op een unieke manier te identificeren, zodat ze tijdens vervorming kunnen worden gevolgd."

Ze testten één controlemonster en vier verschillende configuraties, inclusief degene waarvan wordt aangenomen dat deze is geoptimaliseerd voor stijfheid, die een golvend vezelpatroon had in plaats van een georiënteerd langs horizontale of verticale lijnen.

"Elke trekhaakplaat van het monster had 12 lagen in een stapel. De geoptimaliseerde had gebogen afzettingslijnen en openingen ertussen, "Zei Lambros. "Volgens de voorspellingen van de Livermore-groep, de hiaten zijn er door het ontwerp, omdat je niet meer materiaal nodig hebt dan dit om de optimale stijfheid te bieden. Dat is wat we hebben getest. We hebben laadpinnen door de gaten gehaald, trok vervolgens elk monster tot het punt van breuk, het registreren van de hoeveelheid belasting en de verplaatsing.

"De configuratie die ze voorspelden, zou optimaal zijn, was inderdaad optimaal. Het minst optimaal was het controlemonster, dat is gewoon hars - zoals je zou verwachten omdat er geen vezels in zitten."

Lambros zei dat er een uitgangspunt in de analyse is dat dit een globaal optimum is - wat betekent dat dit het absoluut best mogelijke monster is dat is gebouwd voor stijfheid - geen ander bouwpatroon is beter dan dit.

"Hoewel we natuurlijk maar vier configuraties hebben getest, het lijkt erop dat de geoptimaliseerde configuratie in de praktijk absoluut de beste is, omdat de configuraties die het meest worden gebruikt in ontwerp, zoals 0°-90° of ±45° uitlijningen, waren meer meegaand of minder stijf dan wat deze was, "Zei Lambros. "Het interessante dat we ontdekten, is dat het monster dat was geoptimaliseerd om het stijfst te zijn, ook het sterkste bleek te zijn. Dus, als je kijkt waar ze breken, deze is op de hoogste belasting. Dit was enigszins onverwacht in de zin dat ze niet waren geoptimaliseerd voor deze functie. In feite, het geoptimaliseerde monster was ook iets lichter dan de andere, dus als je kijkt naar specifieke belasting, de faalbelasting per gewichtseenheid, het is een stuk hoger. Het is een stuk sterker dan de andere. En waarom dat zo is, gaan we nu onderzoeken."

Lambros zei dat er in de toekomst mogelijk meer tests zullen worden uitgevoerd, maar voor nu, zijn team heeft met succes aangetoond dat ze een validatie konden bieden voor de geoptimaliseerde additieve composietopbouw.