Robust additive manufacturing of polymer composites for optimal part production

Bruken av additiv tilvirkning (AM) øker, særlig for reservedeler og småserieproduksjon. AM er en digital og fysisk prosesskjede med mange fordeler som muliggjør innovative design med korte ledetider. Noen utfordringer gjenstår imidlertid for å bruke AM i en industriell setting. Målet med dette prosjektet er å takle noen av disse utfordringene. Prosjektet fokuserer på AM-prosesskategorien "materialekstrusjon" med fiberforsterkede termoplastiske polymermaterialer, spesielt AM-prosesser for å lage deler med kontinuerlig fiberforsterkning, f.eks. med karbonfibre. Dette er avanserte AM-prosesser for produksjon av deler med høy stivhet og styrke i forhold til tetthet (en kan typisk oppnå høyere verdier enn for lettmetaller). Hovedmålene er å utvikle AM-kompositt-teknologi for å lage deler med bedre kvalitet, repeterbarhet, dokumentasjon og bærekraft, samt forutsi mekanisk ytelse med god nøyaktighet. For å nå disse målene skal prosjektet utvikle et system for in situ prosessovervåkning og etablere materialmodeller for bruk i elementberegninger. Klimaavtrykket til deler lagd med slike AM-komposittprosesser vil bli sammenliknet med avtrykket for konvensjonelle komposittprosesser, og materialgjenvinning av kompositt-AM-deler vil ble demonstrert. Søkerbedriften Fieldmade var tidlig ute med å ta i bruk AM-teknologi i innovative mobile mikro-fabrikker. Bedriftens ambisjon med dette prosjektet er å etablere en dypere forståelse for materialer, forsterkningsløsninger, produksjonsprosesser og komponentkvalitet, slik at de kan produsere komponenter med høyere krav enn tidligere. Prosjektet vil bidra til å forbedre bedriftens mobile AM-stasjon NOMAD LW som har et stort salgspotensial, med høy eksportandel. Utover dette vil prosjektet bidra til å utvikle kunnskapsbasert industri i Norge ved å jobbe tverrfaglig for å forene ekspertise innen AM, materialteknologi, modellering av mekanisk ytelse (faststoffmekanikk), sensorteknologi og maskinlæring.

Additive manufacturing (AM) is increasingly used for spare parts and end-use parts in small series. AM is a digital and physical process chain which has many advantages, such as enabling innovative designs and fast lead times. However, there are also challenges when it comes to employing AM in an industrial context. This project addresses some of the key challenges. The project focuses on material extrusion AM with fibre-reinforced thermoplastic polymer materi-als ("composite AM"), in particular AM with continuous fibre reinforcement, e.g. carbon fibres. These are rather new high-end AM processes for making parts with very high stiffness and strength relative to the density. The strength can exceed that of aluminium alloys. The main objective is to develop technology for composite AM, in order to produce parts with improved quality, repeatability, documentation and sustainability, and to predict mechanical performance with high fidelity. Critical R&D challenges include developing a system for in-situ process monitoring, and establishing material models to be used in industrial finite element analysis software. Furthermore, material recycling of composite AM parts will be demonstrated. The applicant, Fieldmade AS, was one of the first Norwegian companies to utilise AM, with their innovative portable microfactories. Through this project, Fieldmade’s ambition is to generate a deeper understanding of materials, reinforcement layout, processes and part quality, to enable the production of parts for higher criticality levels than currently possible. The results will, in particular, be used to improve Fieldmade's NOMAD LW AM unit which has a large sales potential, in particular for export. The project employs an interdisciplinary approach, combining expertise in additive manufacturing, materials science, mechanics modelling, sensorics and machine learning. By this, the project will contribute to the development of knowledge-based industry in Norway.