Electroimpact公司開(kāi)發(fā)了一種擁有6個(gè)自由度的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料3D打印系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)航空復(fù)合材料部件的快速無(wú)模制造，以及現(xiàn)有制造方法不可能實(shí)現(xiàn)的新的設(shè)計(jì)自由度。
自2014年美國(guó)Markforged公司帶著第一臺(tái)商業(yè)化的連續(xù)纖維3D打印機(jī) Mark One進(jìn)入市場(chǎng)以來(lái)，全球的工程師們都?jí)粝胫幸粋�(gè)可以3D打印大型連續(xù)纖維增強(qiáng)部件的系統(tǒng)。
然而，要想完全以增材制造的方式生產(chǎn)強(qiáng)度是大多數(shù)金屬數(shù)倍的復(fù)雜部件，卻是一項(xiàng)令人困擾的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)樗芰系拿芏纫约安皇褂冒嘿F的鋪層模具和熱壓罐。
目前，幾家經(jīng)驗(yàn)豐富的老牌公司和初創(chuàng)公司已進(jìn)入這一領(lǐng)域，試圖從更廣泛的數(shù)十億美元的增材制造市場(chǎng)中分得一杯羹。
近年來(lái)，Electroimpact公司一直在與航空領(lǐng)域的合作伙伴合作來(lái)開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，以滿足OEM的應(yīng)用需求。
該機(jī)艙門(mén)剖面圖顯示了打印的蜂窩結(jié)構(gòu)與連續(xù)纖維的連接點(diǎn)的結(jié)合
夢(mèng)想
航空工業(yè)中的許多人都認(rèn)為，大型連續(xù)纖維復(fù)合材料部件的3D打印已經(jīng)以自動(dòng)纖維鋪放（AFP）和自動(dòng)帶材鋪放（ATL）的形式存在了，這兩者都是通過(guò)后續(xù)再鋪放材料層來(lái)生產(chǎn)復(fù)合材料部件的增材制造技術(shù)。
但是，這些技術(shù)都需要一副形狀與成品部件一樣的鋪層模具，以便將材料鋪放到其上。
實(shí)際上，人們真正想要的連續(xù)纖維3D打印機(jī)，并不需要使用鋪層模具和真空袋，也不需要大量的輔助設(shè)備如熱壓罐或二次加工步驟，相反，它只是一個(gè)普通的制造平臺(tái)，而且要盡可能多地消除系統(tǒng)中的各種約束條件，以便最終用戶能夠創(chuàng)建出各種各樣的部件以及采用傳統(tǒng)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的形狀。
其結(jié)果就是，實(shí)現(xiàn)以前不可想象的新的復(fù)合材料設(shè)計(jì)，包括更加一體化的結(jié)構(gòu)，即減少緊固件的數(shù)量以及用于裝配連接的粘合劑。
基本原則
任何高質(zhì)量的復(fù)合材料部件都擁有3個(gè)基本特征,而無(wú)論選用的纖維和基體材料是什么。
這3個(gè)基本特征是：纖維的體積含量（即纖維與基體材料的比率）、孔隙率和纖維的平直度。
Electroimpact公司并不是唯一一家追求連續(xù)纖維3D 打印系統(tǒng)的公司，為應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，其他公司采取了幾種完全不同的方法，其中的一些公司試圖將傳統(tǒng)的熔融長(zhǎng)絲制造（簡(jiǎn)稱FFF）3D打印機(jī)與用于將連續(xù)纖維引入到熔融的熱塑性塑料流中的機(jī)械裝置結(jié)合起來(lái)，以使纖維嵌入到打印部件中。
另有一些公司則選擇采用紫外催化的熱固性樹(shù)脂，使他們的連續(xù)纖維增強(qiáng)材料與樹(shù)脂恰好在加工點(diǎn)上相混合，然后在加工過(guò)程中采用紫外輻射來(lái)引發(fā)樹(shù)脂的快速固化。
這些共擠過(guò)程試圖將更多的步驟整合到一個(gè)單一的系統(tǒng)中。
首先，要達(dá)到航空級(jí)別所要求的均勻一致的纖維百分比（50%+），這實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，系統(tǒng)沉積材料的加工點(diǎn)必須隨著它在空間穿越部件的編程加工路徑而進(jìn)行加、減速，因此，將液體或熔化的基體材料注入到纖維中的過(guò)程也必須與加工點(diǎn)同步進(jìn)行加、減速。
任何經(jīng)驗(yàn)豐富的復(fù)合材料生產(chǎn)商都知道，當(dāng)整個(gè)過(guò)程處于平穩(wěn)狀態(tài)而未受到較大的瞬變影響時(shí)，就會(huì)獲得最均勻的材料。
將這種方法用于處理高纖維含量的復(fù)合材料時(shí)，要想對(duì)纖維進(jìn)行均勻浸漬就顯得比較困難，這往往會(huì)導(dǎo)致干的纖維斑塊以及纖維在基體材料中的不良分布。
因此，浸漬步驟最好在運(yùn)行穩(wěn)定的專(zhuān)用生產(chǎn)設(shè)備上離線完成，這種設(shè)備專(zhuān)為生產(chǎn)纖維分布和纖維百分比均勻的高質(zhì)量預(yù)浸漬材料而開(kāi)發(fā)。
其次是孔隙率問(wèn)題，孔隙是不能承受載荷的。
在熱壓罐中真空固化層壓結(jié)構(gòu)，同時(shí)施加幾個(gè)大氣壓的壓力，就可以使熱壓罐成型的復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)擁有不到1%的孔隙率，從而滿足航空級(jí)別的黃金標(biāo)準(zhǔn)要求。
雖然施加的力巨大，但卻能消除層壓結(jié)構(gòu)中幾乎所有的孔隙。
對(duì)于正在尋求更多航空應(yīng)用的非熱壓罐材料系統(tǒng)而言，通常所能實(shí)現(xiàn)的孔隙率低于3%。
這類(lèi)材料無(wú)需昂貴的熱壓罐，但仍然需要真空來(lái)固化層壓結(jié)構(gòu)以消除孔隙，同時(shí)還需要一個(gè)固化爐。
總之，如果不能以某種方式來(lái)固化層壓結(jié)構(gòu)，這樣的系統(tǒng)就永遠(yuǎn)不可能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量部件所必需的低孔隙率。
最后，沉積連續(xù)纖維的物理過(guò)程要求在一定的張力下進(jìn)行沉積。
如果這個(gè)過(guò)程需要在基體材料軟化時(shí)的任何一點(diǎn)來(lái)推動(dòng)纖維，就會(huì)導(dǎo)致纖維成束。不直的纖維直到被拉直后才能承受載荷。
因此，對(duì)于復(fù)合材料部件而言，束狀纖維就意味著載荷只能由強(qiáng)度低得多的基體材料來(lái)承擔(dān)。
SCRAM技術(shù)
Electroimpact公司正在開(kāi)發(fā)一種基于舊技術(shù)的新技術(shù)，名為SCRAM，也稱作“可升級(jí)的復(fù)合材料機(jī)器人增材制造（Scalable Composite Robotic Additive Manufacturing）” 。
這是一個(gè)整合了FFF 3D打印機(jī)與熱塑性AFP機(jī)器的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一臺(tái)精確操作的機(jī)器人、一個(gè)旋轉(zhuǎn)構(gòu)建平臺(tái)和一個(gè)溫控構(gòu)建室組成。
末端執(zhí)行器攜帶多個(gè)材料系統(tǒng)來(lái)打印可溶性的支撐材料（工裝）、連續(xù)的纖維帶材和短切纖維材料。
每一次打印，都是從機(jī)器人將支撐材料沉積到構(gòu)建平臺(tái)上開(kāi)始的。
隨后，機(jī)器人自動(dòng)切換，以打印連續(xù)纖維增強(qiáng)材料和短切纖維增強(qiáng)材料，從而生產(chǎn)出部件。
這種連續(xù)纖維采用原位固結(jié)的方式沉積，其中，帶材被激光焊接到基板上并在此過(guò)程中被壓實(shí)。
如此獲得的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料部件，可以達(dá)到非熱壓罐工藝所能實(shí)現(xiàn)的孔隙率水平。
正在打印的機(jī)艙門(mén)
將短切纖維材料系統(tǒng)納入進(jìn)來(lái)，則是對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)材料系統(tǒng)的補(bǔ)充。
通常，纖維體積含量高的連續(xù)纖維，會(huì)引入全方位FFF工藝所沒(méi)有接觸過(guò)的幾何約束度，與單純采用連續(xù)纖維帶材所能產(chǎn)生的特征相比，其產(chǎn)生的特征要復(fù)雜得多。
在這些情況下，設(shè)計(jì)師們可以利用短切纖維材料來(lái)獲得想要的特征。
一旦打印完畢，支撐材料即溶解，只留下成品部件。
由于材料系統(tǒng)完全是熱塑性的，因此后續(xù)無(wú)需使用熱壓罐或加熱爐來(lái)固化部件。
不同于傳統(tǒng)的FFF 3D打印，SCRAM工藝采用真正的六軸加工路徑來(lái)生產(chǎn)部件。
大多數(shù)的增材制造系統(tǒng)如FFF、SLA和 SLS都是所謂的2.5D，即將平面的2D層一層一層地鋪疊起來(lái)形成一個(gè)3D形狀。
相比之下，SCRAM則是真正的3D工藝，末端執(zhí)行器在真正的六維自由度空間中沉積材料，這對(duì)于沉積連續(xù)纖維尤為重要，它可以確保纖維的取向與載荷路徑相適應(yīng)，以及從構(gòu)建平臺(tái)上獲得準(zhǔn)各向同性的疊層。
挑戰(zhàn)
開(kāi)發(fā)這種復(fù)雜技術(shù)面臨四大挑戰(zhàn)，涉及材料系統(tǒng)、打印硬件、控制系統(tǒng)和部件編程。
許多公司都試圖開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。雖然一些公司在應(yīng)對(duì)上述四大挑戰(zhàn)中的2～3個(gè)方面取得了令人印象深刻的進(jìn)展，但似乎沒(méi)有哪家公司能夠同時(shí)征服所有這四大難題。
首先，材料系統(tǒng)本身是最基本的挑戰(zhàn)。
雖然可供選擇的聚合物很多，但是，一旦增加了極端要求，比如，高溫下使用、耐化學(xué)性以及煙霧和毒性要求等，可供選擇的材料就很少了。而且，它們的加工也極具挑戰(zhàn)性。
其次，由于承受大部分載荷的是纖維，因此，人們希望纖維的體積含量要盡可能高，并能確保材料的可靠沉積以及實(shí)現(xiàn)良好的粘結(jié)。
基于所有這些原因，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后，Electroimpact決定采用基于PAEK的熱塑性塑料以及50%～60%的纖維含量。
采用內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)從單壁過(guò)渡到雙臂的管道
打印硬件的復(fù)雜程度和細(xì)微差別同樣令人驚訝。
在這項(xiàng)技術(shù)中，F(xiàn)FF部分因其簡(jiǎn)單而為工程師們和業(yè)余愛(ài)好者們所熟悉，即使是用于鋪放平面疊層的AFP也得到了改進(jìn)和簡(jiǎn)化，現(xiàn)在在普通的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中就可以使用。
但是，一旦涉及按6個(gè)自由度進(jìn)行打印以及納入連續(xù)纖維，準(zhǔn)確性就變得極為重要，對(duì)此，所生產(chǎn)部件的復(fù)雜程度就直接取決于系統(tǒng)的靈活性和準(zhǔn)確性。
在末端執(zhí)行器上，每一個(gè)部件都會(huì)增加體積，并對(duì)生成形狀帶來(lái)一些可能的限制。
為控制好如此復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，只需要使用一個(gè)工業(yè)CNC，復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)、框架計(jì)算、工具定義和精度等都需要它。
最后，CAM軟件和系統(tǒng)本身也一樣復(fù)雜。
商用3D打印機(jī)的用戶們習(xí)慣于使用導(dǎo)入部件實(shí)體模型的切片軟件，以為打印機(jī)自動(dòng)生成加工路徑。
當(dāng)按2.5D工作時(shí)，可以相對(duì)簡(jiǎn)單地通過(guò)算法生成加工路徑，這是因?yàn)獒槍?duì)一個(gè)給定的層只有兩個(gè)自由度。
但是，當(dāng)按6個(gè)自由度沉積材料時(shí)，路徑的生成就比較困難。
真正的3D打印連續(xù)碳纖維。SCRAM系統(tǒng)整合了一臺(tái)FFF 3D打印機(jī)和一臺(tái)熱塑性AFP機(jī)器
Electroimpact公司采取的方法不是依靠自己來(lái)解決所有這四大挑戰(zhàn)性難題，而是專(zhuān)注于自身的核心優(yōu)勢(shì)，即硬件和控制系統(tǒng)。
與最適合創(chuàng)建材料系統(tǒng)和CAM軟件的業(yè)內(nèi)同行合作，該公司開(kāi)發(fā)的一體化系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)上訴四大挑戰(zhàn)方面取得了重大進(jìn)展，展現(xiàn)出了前所未有的能力。
未來(lái)
雖然在提升SCRAM技術(shù)的成熟度方面還有很多工作要做，但其發(fā)展速度的確很快，對(duì)它的熱情和興趣正推動(dòng)著它的不斷進(jìn)步。
目前，采用SCRAM技術(shù)已經(jīng)生產(chǎn)出了以前根本就無(wú)法制造的部件形狀。
下一步開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)是，增強(qiáng)它的工業(yè)化生產(chǎn)能力，全面提升性能指標(biāo)。
不可否認(rèn)，真正六維自由度的連續(xù)纖維增強(qiáng)的3D打印已經(jīng)到來(lái)。
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