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【3D打印 技術】大型復材構件3D打印,到底行不行
2019-12-11 悉恩悉機床網

  目前,能查到的能夠實現大型復材構件3D打印的設備制造商有三家。cincinnati、ingersoll、thermwood,都是美國公司,實力強大。

  第一家,Cincinnati。老牌數控機床、自動鋪帶/鋪絲設備供應商。故事起源于一輛復古小車的制造——3D打印車身。


  該輛3D打印超跑,由美國能源部設在ORNL(橡樹嶺國家實驗室)里的增材制造展示中心,通過Cincinnati的BAAM(大面積增材制造)機器打印制成。



  小型潛艇的嘗試

  橡樹嶺國家實驗室(ORNL)與美國海軍的顛覆性技術實驗室(Disruptive Technology Lab)合作,開發出美軍的第一個3D打印潛艇船體。這個30英尺長的碳纖維示范船體是用ORNL的大面積增材制造(BAAM)3D打印機打印的,一共只花了幾天的時間。

  潛艇建造是一件燒錢的事,平均的船體成本在60萬到80萬美元之間。為此,美國海軍一直在不斷尋找新方法來降低成本。通過最近與ORNL的合作,現在,他們成功將潛艇的成本降低了90%。新的3D打印船體是一個可選的載人技術示范船體,受到傳統的SDV的啟發,但不同于之前的任何潛水器。這個30英尺的結構由一種碳纖維復合材料制成,主要包含六個部件。令人難以置信的是,從概念到組裝,整個過程花了不到四個星期。

  美國海軍并未透露太多如何3D打印潛艇的信息,但它和ORNL都表示將利用在這個項目上獲得的經驗來進一步開發類似的3D打印技術。

  風機葉片模具的嘗試

  在溫室效應日益加劇的當下,人類比以往任何時候都更加渴望清潔能源——風能、水電和太陽能等。但是成本問題始終是擋在人們面前的一大障礙,為此,隸屬于美國能源部的先進制造辦公室(AMO)轉向了3D打印技術以減少風力渦輪機的開發成本。由于風力渦輪葉片的長度動輒超過40英尺,AMO為此打算先分成6英尺長的部件分別3D打印出來,然后組合成模具,使其可以澆鑄出完整的葉片。

  具體來說,這個巨型的3D打印風電葉片模具是由風電&水電技術辦公室(WWPTO)、美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)、美國桑迪亞國家實驗室(SNL)和企業合作伙伴TPI Composites共同合作開發的,并試圖將一種全新、清潔的制作方法帶給風電產業。這個項目正好在2016年6月15日的世界風能日完成。



  當然你可能會問:這種3D打印的風電葉片模具有什么好處呢?據AMO團隊解釋說,這個項目引入3D打印技術是為了降低原型和制造下一代風力渦輪機所需的成本和能源。“我們可以通過制造清潔能源技術提高我們國家的競爭力。3D打印技術的優勢在于它能夠減少浪費、縮短生產周期,并為設計帶來更多的靈活性。而且隨著技術的發展,3D打印系統的能力也不斷提升。”他們認為。不過,像這種巨大的渦輪葉片同樣需要超大的3D打印機,幸運的是ORNL的制造示范中心(MDF)提供了大幅面增材制造(BAAM)3D打印機。這款3D打印機比市場上大多數的工業3D打印機速度快500到1000倍,它的打印尺寸也是其它競爭對手的數倍以上。在這里,打印尺寸是相當重要的,因為一個完整的研究葉片就足有42英尺長(約合13米)。如此長的葉片,即使是BAAM3D打印機也不能一次打印出來。為此,開發團隊做了一下變通。首先,研究人員開發出了該研究葉片的一個CAD模型,這個模型基本上是一個典型的葉片設計,可以被倒進模子里的那種;然后人們將其分割成割可3D打印的部分,并加上裝配孔和加熱空氣管道系統的設計。

  一旦完成了這些工作,他們會在葉片上面覆蓋一層玻璃纖維層壓板,并進行光滑處理。“每個模具段都被安裝在一個框架上,并配備一個熱空氣鼓風機、溫度控制器和熱電偶。這個創新的空氣加熱技術可以節省能源,并消除了用人工鋪設嵌入模具的電熱絲這一非常麻煩的步驟。而且,這種空氣鼓風機在以后的模具中也可以再次使用。”AMO的研究人員說。一旦組裝完成,這巨大的3D打印模具就具有非常平整、光滑的表面,而且具有氣密性,非常適合鑄造風力葉片——而且比傳統的風力葉片便宜得多。據研究人員們稱,他們的幾個研究葉片都是用這個3D打印的模具制造的。

  ingersoll的努力

  ingersoll作為老牌裝備制造企業,在復合材料3D打印技術上也在尋求突破,俺不服,干就完了。

ingersoll能打印模具,能鋪放復材,能加工產品,簡直是全能王

  Thermwood,實力不凡

  Thermwood是一家總部設在美國的、跨國的、多元化的數控機械制造商。該公司主要面向木工、航空航天、塑料和復合材料等行業,但在從醫療到娛樂等幾乎所有主要行業都有應用。Thermwood 公司通過在同一臺機器上同時進行 3D 打印和裁剪的 LSAM (大型增材制造) 機器,成為大型熱塑性復合模具、模具、模具和零部件增材制造的技術領導者。這些是迄今為止生產的最大和最有能力的增材制造系統,并向航空航天、海洋、汽車和鑄造工業以及軍事、政府和國防承包商的主要公司銷售。20世紀70年代,Thermwood 是第一家開發和銷售數控控制系統的公司。在那之后不久,Thermwood 開發了世界上第一臺數控路由器。直到今天,在現代數控控制和數控路由器中發現的許多核心技術仍然起源于 Thermwood 。

  LSAM 3D打印使用Techmer PM的工業顆粒,其比例為80%ABS塑料和20%碳纖維。為了提高零件的剛性,公司計劃在未來進一步提高熱塑性碳纖維的比例。


  波音和Thermwood 公司已采用增材制造技術為 777X 計劃生產大型單件工裝。該項目表明,增材制造已準備好為航空航天業生產高質量的工裝。Thermwood使用大規模增材制造(LSAM)機器和新開發的垂直層印刷(VLP)3D打印技術將該工裝一體式成型,從而消除了組裝多個3D打印工具組件所需的額外成本和時間。在聯合演示計劃中,Thermwood在印第安納州南部的示范實驗室打印并加工了 12 英尺長的研發工裝,并于 2018 年 8 月將其交付給波音公司。波音研究與技術工程師 Michael Matlack 認為,Thermwood的增材制造技術在此應用中提供了一個顯著的優勢,可以節省數周的時間。波音公司為位于華盛頓州埃弗雷特的室內設計責任中心(IRC)工廠購買了具有 VLP 功能的Thermwood LSAM 機器。能夠適合現實生產環境的質量水平快速生產大型工裝,這是推動這項技術從實驗室轉移到工廠車間的重要一步。

  貝爾直升機葉片工裝打印。在收到模型和需求后,Thermwood團隊迅速行動起來。利用他們新的60毫米熔體核心技術,他們開始使用TechmerPM的25%碳纖維增強PESU(聚醚砜)連續打印工具。Techmer與Thermwood緊密合作,專門為LSAM添加劑印刷制定了這種材料。該可打印材料的玻璃化轉變溫度超過400°F,在90 psi時,可以很容易地經受普通航空航天部件高達360°F的固化循環。

Techmer的新材料和Thermwood的印刷技術結合在一起,使打印時間僅為3小時8分鐘,打印時間減半,“打印”重量為542磅。

打印工裝

  3D打印如火如荼,以上三家的技術可能會對傳統工裝的制造提供一定的新理念,但是目前,成本可能還是一個問題,距離大規模應用還需要時日。國內的一家企業嗅覺靈敏,已經引進了Cincinnati的打印技術。8月27日,2019智博會上,兩江新區企業重慶云灣科技有限公司(下稱“云灣科技”)攜各種最前沿的3D打印技術和成品亮相,其中,全3D打印經典跑車“眼鏡蛇”吸引了眾多眼球。由BAAM打印的經典跑車“眼鏡蛇”曾在今年8月的智博會上驚艷亮相,僅耗時16小時就完成了所有打印工作。該車使用了可回收再利用的材料ABS混碳纖維制作,材料強度極高,耗材少、成本低,打印材料可以回收再利用,極大提高了資源的利用率。最關鍵的是,這輛車只要安裝上引擎即可像普通汽車上路奔馳。此外,智博會上一座跨度6米的全3D打印行人橋同樣由BAAM打印完成,時間僅需2至3天,全橋分段打印而成,無需大型工程車就能現場拼接。而且橋體內已經預留出了過水、過線、過管道的各種預置通道,充分展現了一體化設計制造的能力和優勢。這座3D打印行人橋不但本身的強度可以承受滿載的行人通行,同時可在預留管道中增加鋼管以增強加固。云灣科技本次引進的BAAM與常規FDM3D打印機相比,成型體積大1000倍,打印效率高800倍,且打印成品的強度更是常規FDM3D打印機產品的十幾倍,近似注塑成型產品的強度。此外,BAAM可使用大多數高強度聚合物材料和多種高性能工程聚合物進行生產,將3D打印引向工業級別發展。引進該設備后,云灣科技將著眼于汽車行業,為汽車企業的整車研發、展車制造等提供優質服務。目前,云灣科技已與金康、上海菲格瑞特等公司展開了合作,在成本以及工期方面展現出極大的優勢。此外,云灣科技還在建筑行業以及藝術設計等方面與國內多家大型企業以及高校展開合作。以橋梁外立面為例,云灣科技利用BAAM進行裝飾物打印,不僅成型快,工期短,在價格方面也有不小的優勢。

  大型復材構件3D打印,在汽車、船舶、軌道交通等領域應用可能還行,航空航天對復材結構的減重和強度要求較高,纖維的連續性至關重要,這種3D打印技術可能很難直接應用,不過,作為復材模具制造的工藝,是一個不錯的選擇。

來源:先進航空制造技術

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