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連續纖維3D打印正進入航空制造領域
2019-10-31 悉恩悉機床網


雙機器人連續3D打印機  


  近年來,復合材料在無人機上的用量屢創新高,然而,復合材料結構傳統上需要很長的開發周期,這對于需要快速創新的無人機產業來說不是好事。不過近幾年來,一種可以使諸如碳纖維等復合材料零部件開發周期縮短30倍的新技術——連續纖維3D打印技術已經面世并趨于成熟。這項技術正隨著3D打印技術的發展而迅速崛起,即可以用于大批量生產復合材料零件,也可以用來制造高度復雜幾何形狀的零件或者極其精密的零件。連續纖維3D打印技術的成熟,將成為小型復合材料無人機、低成本復合材料無人機結構實現高效批生產的福音。

  面向大批量生產的連續纖維3D打印技術

  目前, 空客資本公司投資了Arevo公司的連續纖維3D打印技術, 該公司開發的直接能量沉積(DED) 工藝,可以將熱塑性預浸絲束打印成零件。DED工作單元由工業機器人、激光加熱打印頭和旋轉構建平臺組成, 與以往的連續纖維增強3D打印相比, 能夠將生產速度提高100倍。除了航空零件,Arevo公司的明星產品是與無人機框架結構類似的自行車車架, 連續纖維3D打印技術使其開發周期從18個月縮短到了18天。Arevo公司于2019年2月啟動的新工廠擁有8個機器人工作單元,每個機器人單元每天就能夠生產一個車架,包括打印車架本身以及后處理(例如鉆孔)和完成噴涂前的預打磨。在生產的第一年內,Arevo公司計劃將生產速度提高三倍,通過采用并行化的模式,讓每個機器人運行多個打印頭和/或每個工作單元運行多個機器人。

  為了在整個提速過程中保持質量和可重復性,Arevo應用了原位檢測和機器學習技術,以實時控制過程參數。打印機配有多個傳感器(測量高度、壓力、變形等),系統軟件使用這些傳感器的數據根據需要調整工藝參數。這樣,當更快地運行機器人時,就可以確保沉積速率、加熱、固化和其他參數與基線匹配。

  軌道復合材料公司也在致力于通過連續纖維增強3D打印工藝進行大規模生產,與Arevo公司的技術一樣, 軌道公司的模塊化同軸擠出末端執行器、并聯機器人和非熱壓罐工藝的生產速度比以往的連續纖維增強增材制造速度快100倍。擠出噴嘴通過其中心孔供給基體材料,通過周圍的環形噴嘴供給纖維,并聯機器人通過團隊協作加快生產速度。軌道公司的技術開發理念是“材料不可知論”,其技術旨在適應幾乎任何復合材料,包括塑料、陶瓷或金屬基體,包括熱固性塑料、熱塑性塑料和碳化硅;干燥、粘合纖維, 從3K到48K絲束;并且能夠結合銅或鋁線、納米材料、導電油墨或其他有助于實現多功能結構的選擇。

  今年初,瑞士9T實驗室也開始對其CarbonKit進行測試,旨在使現有的3D打印機能夠進行連續纖維打印,預計未來每年可生產約30000個零件。CarbonKit系統利用了從開發連續點陣(CLF)工藝中獲得的知識。該系統旨在使用工業級廉價材料用作原料,拉擠復合材料棒,然后復合材料棒通過牽引單元進入熱可調節的擠出頭。該系統的另一個重要特征是能夠縮放擠出橫截面積,因此可以適應具有小絲束的高分辨率應用,以及具有大絲束的大幅面增材制造。

  解決復雜或精密結構生產難題

  美國南卡羅來納大學McNair航空航天創新與研究中心的研究人員與TIGHITCO碳纖維復合材料公司和英格索機床公司合作,開發了用于高度專業化和要求苛刻產品的連續纖維增強3D打印技術。該技術是一種熔融長絲制造(FFF)方法,上述已開發出了熱塑性復合長絲和機器人3D打印系統。系統將由英格索機床公司生產,使用配備有連續纖維沉積末端執行器以及西門子控制系統的工業機器人平臺。

  該團隊的研發宗旨就是實現大型復雜零部件打印之后,后期處理工作盡量小。McNair團隊認為該技術非常適合三種應用,首先是航空領域中的小批量制造,例如,每架無人機或小型航空器僅需要一個的特定高強度組件;其次是高度復雜的結構,比如加強網格,利用其他制造方法無法產生所需的強度質量比和剛度質量比; 第三是套印,這是一種在打印過程中插入組件并由此完全嵌入打印零件中的技術,可以實現零件整合,比在打印零件中嵌入RFID芯片或小型電子傳感器。

  連續復合材料公司是全球范圍內連續纖維增強3D打印的先驅,2012年獲得了全球最早的工藝專利——CF3D。CF3D工藝使用快速固化熱固性樹脂(也適用于熱塑性塑料),將增強纖維浸漬在打印頭內,并在材料沉積后立即固化復合材料。熱固性材料使該工藝能夠在自由空間中執行高速打印。不久前,該公司在3D打印領域又取得了多項重要進展,包括更加自動化的工具路徑生成;自動化的工具更換,可在同一部件上實現高分辨率單通道和高沉積多通道打印;提高的機器人準確性和精度等。

  作為連續纖維增強3D打印的先驅,美國Markforged公司用于小批量生產的X7打印機在試產上廣受歡迎,不過該公司目前正在改進技術, 未來的3D打印機將能夠同時滿足小批量生產和批量生產。目前連續纖維3D打印主要面向高價值、低批量的零件,而隨著打印機制造商降低打印機制造成本和材料成本,未來目標市場將面向相對大批量、低價值的零件生產。

  MarkForged公司的連續纖維3D打印系統使用由專門開發的熱塑性樹脂制成的預浸絲束,它使用兩個打印頭,一個用于基體樹脂,另一個用于預浸絲束。Markforged的一個關鍵市場是打印傳統生產線工裝的夾具和組件,與機加工鋁制組件相比,3D打印的熱塑性產品同樣堅固但更輕, 不會像金屬組件那樣損壞零件,

  荷蘭CEAD集團于2018年11月推出了大型CFAM(連續纖維增材制造)Prime 3D打印機。雖然最初的CFAM Prime用于構建原型產品,但該系統特別有利于小批量生產大型復雜產品,縮短交貨時間、終結模具使用,實現高效的制造工藝。CFAMPrime是一款完整的基于西門子數控系統的封閉式打印機,可制造體積為2×4×1.5米的零部件,是歐洲最大的3D打印機。為了制造連續的纖維增強復合材料,CFAMPrime首先使用所需的熱塑性樹脂預浸漬連續玻璃纖維或碳纖維,然后打印頭將連續纖維與熔化的熱塑性樹脂顆粒結合,其中還可包括一定百分比的短切纖維,這是該打印機的特色。

  盡管近年來連續纖維增強復合材料的3D打印技術正在快速發展,但是該領域還存在兩個主要問題,一個是纖維含量低,且打印層之間的分層可能性較高,另一個是缺乏標準化的商業軟件。對于前者,目前該技術并無法與傳統復合材料工藝競爭,它只是當前制造方法的補充,提供靈活性和開放式設計以及生產可能性,可能更適合承擔簡單功能的小型低成本無人機生產。對于后者,因為市場上尚無連續工具路徑的軟件,目前每個研發團對都在開發專有軟件,希望以比傳統切片軟件更自動化的方式生成工具路徑,與大多數軟件開發一樣,未來將會出現工具路徑生成軟件的標準。只有解決了上面兩個問題,連續纖維3D打印技術才會成為3D打印無人機的新動力,真正開啟無人機發展新熱潮。

來源:中國航空報

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