DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-59848-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40394051
تاريخ النشر: 2025-05-20
المؤلف: Carter F Dojan وآخرون
الموضوع الرئيسي: التصنيع الإضافي وتقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا جديدًا للتصنيع الإضافي لمركبات البوليمر المدعمة بالألياف، مع معالجة قيود طرق التصنيع التقليدية التي تتضمن أدوات مكلفة وأوقات معالجة طويلة. من خلال استخدام راتنج حراري الاستجابة كالمصفوفة وتوظيف تسخين موضعي عن بُعد لتعزيز الألياف الكربونية من خلال التحويل الضوئي الحراري، يحقق المؤلفون معالجة سريعة في الموقع للمركبات. هذه العملية تلغي الحاجة إلى القوالب والأدوات، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف التصنيع ويعزز تعقيد التصميم.
تسمح الطريقة بالتحول الفوري لمرحلة المصفوفة الحرارية من حالة سائلة أو لزجة إلى بوليمر صلب عند الإيداع بواسطة منصة روبوتية. تسهل هذه القدرة الإنتاج عالي الدقة، بشكل حر لكل من المركبات المدعمة بالألياف المنقطعة والمستمرة دون الحاجة إلى مواد دعم تضحوية. تمتد تداعيات هذه التكنولوجيا عبر صناعات متعددة، واعدة بتصنيع سريع وقابل للتوسع لمكونات المركبات والأدوات، بالإضافة إلى تمكين الإصلاحات عند الطلب للهياكل المركبة.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون مواد متنوعة لتجاربهم، بما في ذلك الديسايكلوبنتاديين (DCPD)، 5-إيثيليدين-2-نوربورين (ENB)، و محفز جروبز من الجيل الثاني (GC2)، جميعها مصدرها من سيغما ألدريتش. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على ثلاثي بوتيل فوسفيت (TBP) و فينيل سيكلوهكسان (PCH) من TCI أمريكا. تضمنت الدراسة ألياف كربونية مطحونة (PX30) بطول متوسط يبلغ 72 ميكرومتر، مقدمة من شركة زولتك، بالإضافة إلى ألياف كربونية مستمرة من عدة موردين، بما في ذلك هيكسل (ألياف AS4C بأحجام تو 3000، 6000، و 12,000)، وتوراي (ألياف T700S بحجم تو 12,000)، وشركة زولتك (ألياف PX35 بحجم تو 50,000). تم استخدام جميع المواد في حالتها المستلمة دون أي عمليات تنقية إضافية.
نتائج
يقدم البحث نهجًا جديدًا للتصنيع الإضافي (AM) لمركبات البوليمر المدعمة بالألياف (FRPCs) باستخدام راتنجات حرارية الاستجابة سريعة المعالجة، تحديدًا بوليديسايكلوبنتاديين (pDCPD). تستخدم الطريقة بلمرة التحلل الحلقية (ROMP) بالتزامن مع التسخين الضوئي الحراري الموضعي لتحقيق معالجة فعالة في الموقع لمادة المركب فور الإيداع. يظهر pDCPD خصائص مرغوبة مثل معامل عالي، قوة، استقرار حراري، وامتصاص رطوبة منخفض، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات الهيكلية.
تسلط الدراسة الضوء على استخدام ليزر أزرق مدمج ومنخفض الطاقة (4.5 واط) للتحويل الضوئي الحراري، والذي يسخن بشكل فعال خيوط الألياف الكربونية المشبعة بالراتنج إلى درجة حرارة المعالجة المستهدفة التي تبلغ حوالي 220-240 درجة مئوية في غضون 100-200 مللي ثانية. تشير النتائج إلى أن الحد الأقصى لسرعة المسح لتحقيق هذه الدرجة الحرارة هو حوالي 1.5 م/دقيقة، مع وجود علاقة خطية تم تأسيسها بين كثافة الطاقة ومعدل المسح لأحجام خيوط مختلفة. لا تعزز هذه التكاملات بين راتنجات حرارية الاستجابة مع التسخين الضوئي الحراري السريع عملية AM فحسب، بل تعالج أيضًا قيود تقنيات التصنيع التقليدية، مما يمهد الطريق للإنتاج المتقدم لكل من المركبات المدعمة بالألياف المنقطعة والمستمرة.
مناقشة
تناقش البحث التصنيع الإضافي (AM) لمركبات الألياف الكربونية المدعمة المنقطعة والمستمرة، مع التركيز على معالجة المصفوفة البوليمرية في الموقع من خلال التحويل الضوئي الحراري. تستخدم الدراسة الكتابة بالحبر المباشر (DIW) لاستخراج أحبار المركبات، والتي يتم معالجتها بسرعة باستخدام الليزر، مما يسمح بالطباعة عالية السرعة (حتى 1.5 م/دقيقة) دون الحاجة إلى مواد دعم. تشير النتائج إلى أن الحفاظ على درجة حرارة الحبر عند -5 درجة مئوية أثناء الطباعة يعزز التحكم في اللزوجة ويقلل من البلمرة المبكرة، مما يؤدي إلى درجات عالية من المعالجة (96-98%) عبر أحجام فوهات مختلفة. تم تقييم الخصائص الميكانيكية للمركبات المطبوعة من خلال اختبارات الانحناء واختبارات القص القصير، مما يكشف أن العينات المطبوعة بالتوازي مع محور الشعاع أظهرت قوة انحناء ومعامل متفوقين بسبب محاذاة الألياف المثلى.
بالإضافة إلى ذلك، تم تحسين عملية AM لمركبات الألياف المدعمة المستمرة لتمكين وضع المواد غير المعالجة بشكل متحكم فيه، تليها معالجة فورية. حققت هذه الطريقة نسب حجم ألياف عالية (50-70%) ومحتوى فراغات ضئيل (0-1.5%)، مما أدى إلى مركبات بخصائص ميكانيكية قابلة للمقارنة مع تلك التي تم إنتاجها عبر الطرق التقليدية. تسلط الدراسة الضوء على الإمكانية للتصنيع السريع والمرن والفعال من حيث الطاقة للهياكل المركبة المعقدة، مع تداعيات لمجموعة متنوعة من التطبيقات في الأدوات والإصلاح، بالإضافة إلى إمكانية توسيع هذا النهج ليشمل راتنجات حرارية الاستجابة الأخرى ومواد التعزيز. بشكل عام، يقدم البحث تقدمًا كبيرًا في مجال تصنيع المركبات، مقدمًا عملية مبسطة تقلل من وقت الإنتاج والتكاليف بينما تعزز أداء المواد.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-59848-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40394051
Publication Date: 2025-05-20
Author(s): Carter F Dojan et al.
Primary Topic: Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies
Overview
The research presents a novel approach to the additive manufacturing of fiber-reinforced polymer composites, addressing the limitations of traditional manufacturing methods that involve costly tooling and lengthy processing times. By utilizing a thermoresponsive thermoset resin as the matrix and employing localized, remote heating of carbon fiber reinforcements through photothermal conversion, the authors achieve rapid in-situ curing of the composites. This process eliminates the need for molds and tooling, significantly reducing manufacturing costs and enhancing design complexity.
The method allows for the immediate phase transformation of the thermoset matrix from a liquid or viscous state to a rigid polymer upon deposition by a robotic platform. This capability facilitates the high-fidelity, freeform production of both discontinuous and continuous fiber-reinforced composites without the necessity for sacrificial support materials. The implications of this technology extend across various industries, promising rapid and scalable manufacturing of composite components and tooling, as well as enabling on-demand repairs of composite structures.
Methods
In this study, the authors utilized various materials for their experiments, including dicyclopentadiene (DCPD), 5-ethylidene-2-norborene (ENB), and the second-generation Grubbs catalyst (GC2), all sourced from Sigma Aldrich. Additionally, tributyl phosphite (TBP) and phenylcyclohexane (PCH) were obtained from TCI America. The study incorporated milled carbon fibers (PX30) with an average length of 72 μm, provided by Zoltek Corporation, as well as continuous carbon fibers from multiple suppliers, including Hexcel (AS4C fibers with tow sizes of 3000, 6000, and 12,000), Toray (T700S fibers with a tow size of 12,000), and Zoltek Corporation (PX35 fibers with a tow size of 50,000). All materials were utilized in their received state without any additional purification processes.
Results
The research presents a novel approach to additive manufacturing (AM) of fiber-reinforced polymer composites (FRPCs) using rapid-curable, thermoresponsive thermoset resins, specifically polydicyclopentadiene (pDCPD). The method employs ring opening metathesis polymerization (ROMP) in conjunction with localized photothermal heating to achieve efficient in-situ curing of the composite material immediately after deposition. The pDCPD exhibits desirable properties such as high modulus, strength, thermal stability, and low moisture absorption, making it suitable for structural applications.
The study highlights the use of a compact, low-power blue laser diode (4.5 W) for photothermal conversion, which effectively heats the resin-impregnated carbon fiber filaments to the target curing temperature of approximately 220-240 °C within 100-200 ms. The findings indicate that the maximum scanning speed for achieving this temperature is around 1.5 m min⁻¹, with a linear relationship established between power density and scan rate for different filament sizes. This integration of thermoresponsive resins with rapid photothermal heating not only enhances the AM process but also addresses limitations of traditional manufacturing techniques, paving the way for advanced production of both discontinuous and continuous carbon fiber-reinforced composites.
Discussion
The research discusses the additive manufacturing (AM) of discontinuous and continuous carbon fiber-reinforced composites, emphasizing the in-situ curing of matrix polymer resins through photothermal conversion. The study utilizes direct ink writing (DIW) to extrude composite inks, which are then rapidly cured using a laser, allowing for high-speed printing (up to 1.5 m/min) without the need for support materials. The findings indicate that maintaining the ink temperature at -5 °C during printing enhances viscosity control and minimizes premature polymerization, leading to high degrees of cure (96-98%) across various nozzle sizes. The mechanical properties of the printed composites were evaluated through flexural and short beam shear tests, revealing that samples printed parallel to the beam axis exhibited superior flexural strength and modulus due to optimal fiber alignment.
Additionally, the AM process for continuous fiber-reinforced composites was refined to enable the controlled placement of uncured material, followed by immediate curing. This method achieved high fiber volume fractions (50-70%) and minimal void content (0-1.5%), resulting in composites with mechanical properties comparable to those produced via traditional methods. The study highlights the potential for rapid, flexible, and energy-efficient fabrication of complex composite structures, with implications for various applications in tooling and repair, as well as the possibility of extending this approach to other thermoresponsive resins and reinforcement materials. Overall, the research presents a significant advancement in the field of composite manufacturing, offering a streamlined process that reduces production time and costs while enhancing material performance.