Additive Manufacturing of Continuous Fibre-Reinforced UV-Curable Epoxy Composites via Peristaltic-Driven Direct Ink Writing

Sintesi Tecnica: Produzione Additiva di Compositi di Resina Epossidica Foto-induribile con Rinforzo in Fibra Continua tramite Direct Ink Writing a Propulsione Peristaltica

Problematica
Sebbene il rinforzo con fibre continue migliori significativamente le proprietà meccaniche dei polimeri compositi, i metodi di produzione tradizionali (ad es. avvolgimento di filamenti, pultrusione, RTM) sono spesso limitati da complessi stampaggi, tempi di lavorazione prolungati e una versatilità geometrica ristretta. Sebbene la produzione additiva (AM) offra una via per fabbricare forme complesse, le tecniche esistenti affrontano ostacoli specifici. La Fused Filament Fabrication (FFF) soffre spesso di frazioni di volume di fibra subottimali e debole adesione tra gli strati a causa dei limiti termici. Altri sistemi di Direct Ink Writing (DIW) sono frequentemente limitati a singoli tipi di fibra (o vetro fragile o aramide flessibile che richiede pre-trattamento) e faticano nella co-estrusione di fibra-resina continua, nel raggiungimento di un'impregnazione costante e nel mantenimento dell'allineamento della fibra all'interno del tracciato depositato. Inoltre, permangono sfide riguardanti l'uniformità del riscaldamento assistito da microonde e l'elevata complessità e i costi della stampa assistita da robotica.

Metodologia
Questo studio riporta lo sviluppo di un nuovo sistema DIW a propulsione peristaltica progettato per la co-estrusione di fibre continue e una resina epossidica fotosensibile a bassa viscosità con cura UV in situ.

• Hardware: Il sistema utilizza una testa estrusore personalizzata montata su un sistema a 3 assi (derivato da una Creality Ender 3 Pro). Una pompa peristaltica Kamoer regola il flusso della resina, mentre le fibre continue (aramide e vetro) vengono "auto-estruse" (tirate) attraverso l'ugello. Un modulo di cura UV personalizzato (intensità di picco 0,405 W/m²) è integrato accanto all'ugello per avviare la polimerizzazione immediata al momento della deposizione.
• Software: È stato stabilito un flusso di lavoro utilizzando FreeCAD per la modellazione CAD, CURA per lo slicing e un algoritmo MATLAB personalizzato per elaborare il G-code. Questo algoritmo adatta i percorsi utensile ai parametri hardware specifici (velocità di stampa, moltiplicatore di estrusione, distanza di stand-off) e supporta vari schemi di deposizione (orizzontale, verticale, incrociato, circolare).
• Materiali: Sono stati testati due tipi di fibre continue individualmente: filato di para-aramide al 100% (diametro 0,2–0,3 mm) e fibra di vetro (diametro 0,1–0,2 mm). La matrice è una resina epossidica UV-curable (viscosità ~530 cP, densità 1,15 g/cm³).
• Fabbricazione: Campioni sono stati stampati con geometrie variabili (zig-zag, circolare, cross-ply a ±45°), utilizzando un ugello da 1 mm, velocità di stampa di 300 mm/min e una distanza di stand-off (SoD) di 0,5 mm. Le frazioni di volume della fibra ($V_f$) sono state calcolate come ~14,06% per l'aramide e ~6,25% per il vetro.
• Caratterizzazione: I compositi fabbricati sono stati sottoposti ad analisi reologica, microscopia elettronica a scansione (SEM), spettroscopia EDX, test di trazione (ASTM D638), misurazione della rugosità superficiale (con e senza rivestimento a immersione) e valutazione delle proprietà dielettriche attraverso un intervallo di frequenza da 100 Hz a 300 kHz.

Contributi Chiave

1. Design del Sistema Innovativo: Lo sviluppo di un setup DIW a propulsione peristaltica capace di gestire due distinti tipi di fibra (vetro e aramide) individualmente su una singola piattaforma, senza pre-impregnazione, utilizzando l'auto-estrusione per le fibre e l'estrusione a pompa per la resina.
2. Ottimizzazione del Processo: Dimostrazione della generazione di percorsi utensile adattivi e dell'ottimizzazione della distanza di stand-off (SoD) per promuovere il posizionamento centrale della fibra e un controllo dell'interazione fibra-resina.
3. Analisi Comparativa: Un confronto esaustivo tra i compositi in fibra di aramide e di vetro riguardo alla fedeltà di stampa, alle prestazioni meccaniche e alla morfologia superficiale, evidenziando i compromessi tra rigidità e flessibilità della fibra nel contesto dei sistemi di resina UV-curable.

Risultati

• Qualità di Stampa e Geometria: I compositi in fibra di vetro hanno dimostrato una qualità di stampa e una conformità ai percorsi complessi (circolari e cross-ply) superiori rispetto all'aramide. Le fibre aramidiche hanno mostrato un significativo "trascinamento della fibra" (ritrazione fino a 12 mm) e instabilità (buckling) agli angoli acuti a causa della loro maggiore rigidità e minore flessibilità. Le fibre di vetro hanno mantenuto un migliore allineamento e una minore deviazione dal percorso.
• Microstruttura e Interfaccia: L'analisi SEM ha rivelato che le fibre di vetro si sono assestate vicino allo strato medio della sezione trasversale grazie all'imbibizione della resina, mentre le fibre aramidiche sono rimaste più vicine alla superficie superiore. Crucialmente, le fibre aramidiche hanno mostrato un "effetto schermante", ostruendo la penetrazione della luce UV e portando a una polimerizzazione incompleta della resina sottostante e a un cattivo legame con il substrato. Le fibre di vetro, essendo più trasparenti ai raggi UV, hanno permesso una cura efficace e una migliore adesione.
• Proprietà Meccaniche: I test di trazione hanno mostrato che i compositi in fibra di vetro hanno raggiunto una resistenza a trazione massima di circa 65 MPa (un aumento del 62,5% rispetto alla resina pura), mentre i compositi in aramide hanno raggiunto ~62 MPa (un aumento del 55%). Nonostante la maggiore forza intrinseca dell'aramide, il composito in fibra di vetro ha superato l'altro sperimentalmente grazie alla migliore adesione fibra-matrice, migliore bagnabilità e minori difetti interfacciali.
• Rugosità Superficiale: I compositi in aramide non rivestiti hanno mostrato un'alta rugosità ($R_a$ = 7,968 µm) dovuta alla protuberanza della fibra e al ritorno elastico (spring-back), mentre i compositi in vetro erano più lisci ($R_a$ = 0,498 µm). Il rivestimento a immersione ha ridotto significativamente la rugosità per entrambi, portando l' $R_a$ dell'aramide a 1,183 µm e quello del vetro a 0,209 µm.
• Proprietà Dielettriche: L'aggiunta di fibre ha ridotto la costante dielettrica ($\varepsilon_r$) della resina pura (inizialmente ~9). I compositi in fibra di vetro hanno mostrato valori compresi tra 4,5 e 5,5, mentre i compositi in fibra di aramide hanno mostrato i valori più bassi (4,0–5,0), attribuiti alla bassa polarizzabilità e all'alta cristallinità dell'aramide.

Significatività e Rivendicazioni
Gli autori affermano che questo studio fa progredire il campo dei Compositi Polimerici Rinforzati con Fibre Continue (CFRPC) dimostrando un approccio DIW automatizzato e praticabile per termoindurenti UV-curable. Il lavoro evidenzia come, sebbene le fibre aramidiche offrano vantaggi teorici di resistenza, i loro limiti di lavorazione (rigidità, schermatura UV, scarsa bagnabilità) in questa specifica configurazione DIX portano a prestazioni inferiori rispetto alle fibre di vetro.

Lo studio conclude che il sistema sviluppato è idoneo alla fabbricazione di componenti per applicazioni aerospaziali, automobilistiche ed elettroniche, in particolare dove sono richieste robustezza meccanica e isolamento dielettrico. Il documento riconosce con modestia le sfide rimanenti, tra cui il trascinamento della fibra agli angoli acuti, la formazione di porosità, la polimerizzazione UV incompleta in geometrie complesse e la mancanza di un meccanismo di taglio della fibra automatizzato, suggerendo questi come aree per futuri miglioramenti nella formulazione della resina e nel design dell'hardware.