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刘亚威:连续纤维3D打印或开启无人机新热潮

无人机上的复合材料用量屡创新高,甚至已经出现了极光飞行科学公司全复合材料增材制造(3D打印)喷气无人机,然而,复合材料结构传统上是一个需要忍受长开发周期的过程,这对于需要快速创新的无人机产业来说不是好事。不过近几年,一种可以使得诸如碳纤维/聚醚醚酮(PEEK)零件开发周期缩短30倍的新技术已经面世——连续纤维3D打印技术。连续纤维3D打印技术正在随着3D打印机的创新而迅速崛起,它即可以用于大批量生产复合材料零件,也可以打印特别有挑战性的特征,比如高度复杂的几何形状或者需要极其精密制造的关重特性。该技术的成熟,对于小型复合材料无人机、低成本复合材料无人机结构等应用的高效批产将是一个福音。本文将介绍一些最新的连续纤维3D打印技术。

美国极光科学飞行公司全3D打印喷气无人机

一、面向大批量生产的连续纤维3D打印技术

空客资本公司投资了Arevo公司的连续纤维3D打印技术,该公司开发的直接能量沉积(DED)工艺,可以将热塑性预浸丝束打印成零件。DED工作单元由工业机器人、激光加热打印头和旋转构建平台组成,与以往的连续纤维增强3D打印相比,能够将生产速度提高100倍。除了航空零件,Arevo的明星产品是与无人机框架结构类似的自行车车架,连续纤维3D打印技术使其开发周期从18个月缩短到了18天。Arevo于2019年2月启动的新工厂拥有八个机器人工作单元,每个都能够每天生产一个车架,包括打印本身以及后处理(例如,钻孔)和用于喷涂的预打磨。在生产的第一年内,生产速度还将提高三倍,为了实现这一目标,Arevo正在努力实现“并行化”,即每个机器人运行多个打印头和/或每个工作单元运行多个机器人。

Arevo还在研究更大的给料(大型丝束),以求在速度和精度间取得平衡——使用小型丝束获得特征丰富的复杂外形,但是工艺周期较慢;使用大型丝束有更高的生产速度,但是有转向限制。为了在整个提速过程中保持质量和可重复性,Arevo应用了原位检测和机器学习技术,以实时控制过程参数。打印机配有多个传感器(测量高度、压力、变形等),系统软件使用这些传感器的数据根据需要调整工艺参数。这样,当更快地运行机器人时,就可以确保沉积速率、加热、固化和其他参数与基线匹配。Arevo构建了一个工艺的数字化模型,然后进行迭代和改进,现在已经得到了许多热塑性塑料的许用值和工艺数据。

轨道复合材料公司也在致力于通过连续纤维增强3D打印工艺进行大规模生产,公司的模块化机器人打印机专为最终产品的需求而设计,可以有很大差异。与Arevo的技术一样,轨道公司的模块化同轴挤出末端执行器、并联机器人和非热压罐工艺的生产速度比以往的连续纤维增强增材制造速度快100倍。挤出喷嘴通过其中心孔供给基体材料,通过周围的环形喷嘴供给纤维,并联机器人通过团队协作加快生产速度。

轨道公司的技术开发理念是“材料不可知论”,其技术旨在适应几乎任何复合材料:塑料、陶瓷或金属基体,包括热固性塑料、热塑性塑料和碳化硅;干燥、粘合纤维,从3K到48K丝束;并且能够结合铜或铝线、纳米材料、导电油墨或其他有助于实现多功能结构的选择。与生产专业且成本更高的材料的企业不同,公司的研发工作正致力于面向标准的低成本材料优化打印技术,这是在大批量应用中具有成本竞争力的必要能力。

双机器人连续纤维3D打印机

瑞士9T实验室于2019年2月开始对其CarbonKit进行beta测试,该测试旨在使现有的3D打印机能够进行连续纤维打印,一个未公开的项目预计每年可生产约30000个零件。CarbonKit系统利用了从开发连续点阵制作(CLF)工艺中获得的知识。该系统旨在使用工业级廉价材料用作原料,拉挤复合材料棒,然后复合材料棒通过牵引单元进入热可调节的挤出头。系统可以与一系列热塑性基体体系配合使用,纤维体积含量可达50%以上。该系统的另一个重要特征是能够缩放挤出横截面积,因此可以适应具有小丝束的高分辨率应用,以及具有大丝束的大幅面增材制造。

二、面向复杂或精密结构的连续纤维3D打印技术

美国南卡罗来纳大学McNair航空航天创新与研究中心的研究人员与TIGHITCO和英格索机床公司合作,开发了用于高度专业化和要求苛刻产品的连续纤维增强3D打印技术。该技术是一种熔融长丝制造(FFF)方法,团队已开发出了热塑性复合长丝和机器人3D打印系统。系统将由英格索生产,使用配备有连续纤维沉积末端执行器以及西门子控制系统的工业机器人平台,提供七个自由度。团队开发技术的宗旨是,不希望用大型打印头打印需要大量后处理的大型图案,而是仅需最少后处理的打印。

McNair团队认为该技术非常适合三种应用。首先是航空应用中的小批量制造,例如每架无人机或小型航空器仅需要一个特定高强度组件的应用,使得模具或芯轴难以成本划算。其次是高度复杂的结构,比如加强网格,利用其他制造方法无法产生所需的强度质量比和刚度质量比。第三种是套印,这是一种在打印过程中插入组件并由此完全嵌入打印零件中的技术,可以实现零件整合。套印的例子包括在螺纹嵌入圈周围打印,而不是通过打印后处理来添加它;或者在打印零件中嵌入RFID芯片或电子传感器。自动丝束铺放(AFP)的机身仅具有最小程度的集成,许多较小的部件用螺栓固定。而这项技术的亮点在于,如果使用热塑性塑料制造复合材料零件,每次就是通过套印重新熔化以增加新部件。消除铆钉、紧固件和粘接剂可以显著改善这些航空结构。

连续复合材料公司是连续纤维增强3D打印的先驱,2012年获得了全球最早的工艺专利——CF3D。公司预计有一天该技术将用于按需打印整架飞行器结构——无论是10件还是10000件,因为它具有充分的经济性。CF3D使用快速固化热固性树脂(虽然也适用于热塑性塑料),将增强纤维浸渍在打印头内,并在材料沉积后立即固化复合材料。热固性材料使该工艺能够在自由空间中执行高速打印。应用CF3D技术的纤维体积可达到50-60%,而公司正在以多种方式继续推进该工艺。最近的一个重要进展包括更加自动化的工具路径生成;自动化的工具更换,可在同一部件上实现高分辨率单通道和高沉积多通道打印;提高的机器人准确性和精度;开发具有更高力学性能的材料。

连续复合材料公司3D打印机翼剖面

意大利moi复合材料公司的连续纤维制造(CFM)工艺与CF3D相似,也已经达到早期采用和开发阶段(技术成熟度等级5)。CFM技术旨在解决使用热固性树脂进行3D打印的挑战,并已成功地用环氧树脂、丙烯酸和乙烯基酯打印连续玻璃纤维增强复合材料。紫外线(UV)是moi印刷技术的主要固化工艺,但该工艺也适用于其他固化和后固化机制——这是碳纤维应用所必需的,因为碳的不透明性和黑色干扰紫外线固化。

三、将速度与精度相结合的连续纤维3D打印技术

作为连续纤维增强3D打印的先驱,Markforged公司用于小批量生产的X7打印机广受欢迎,不过公司预计,技术开发会将小批量生产和批量生产融合。目前连续纤维3D打印的市场是高价值、低批量的零件,而未来目标市场将朝着相对大批量、低价值的零件增长,因为打印机制造商会降低打印成本和材料成本。公司预测,用于批量的打印技术仍将具备高度细节的复杂组件所需的功能,因为复杂性通常可在软件中得到解决。

MarkForged的连续纤维系统使用由专门开发的热塑性树脂制成的预浸丝束,它使用两个打印头,一个用于基体树脂,另一个用于预浸丝束。技术改进的重点是可靠性和可重复性。公司还致力于完全闭环的工艺,并开发其他功能,如完全集成的材料跟踪和全面的自动报告功能。Markforged的一个关键市场是打印传统生产线工装的夹具和组件,与机加工铝制组件相比,3D打印的热塑性产品同样坚固但更轻,不会像金属组件那样破坏零件,而且在同一天内就可以准备好了。

荷兰CEAD集团于2018年11月推出其大型CFAM(连续纤维增材制造)Prime 3D打印机。虽然最初的CFAM Prime用于构建原型产品,但该系统特别有利于小批量生产大型复杂产品,缩短交货时间、终结模具使用使其成为高效的制造工艺。CFAMPrime是一款完整的基于西门子数控系统的封闭式打印机,建造体积为2×4×1.5米,是欧洲最大的3D打印机,可以使用一系列热塑性塑料。打印机的平均输出功率为15千克/小时,无需操作员即可运行24小时。它具有智能加热/冷却系统,可通过热感摄像头监测工艺,并根据需要实时进行调整。

为了制造连续的纤维增强复合材料,CFAMPrime首先使用所需的热塑性树脂预浸渍连续玻璃纤维或碳纤维,然后打印头将连续纤维与熔化的热塑性树脂颗粒结合,其中还可包括一定百分比的短切纤维,这是该打印机的特色。

欧洲最大的3D打印机

三、结束语

自Markforged公司于2014年宣布推出Mark One连续纤维3D打印机以来,连续纤维增强复合材料的3D打印技术正在快速发展。当前,该技术还存在两个主要问题,一个是纤维含量低且打印层之间的分层可能性高,另一个是缺乏标准化的商业软件。对于前者,目前该技术并无法与传统复合材料工艺竞争,它只是当前制造方法的补充,提供灵活性和开放式设计以及生产可能性,可能更适合承担简单功能的小型低成本无人机生产;但是未来则可能大幅度消除这些问题,并且由于生产完全自动化,在从事复杂任务的大中型无人机制造中的竞争将是必然发生的。对于后者,因为市场上尚无连续工具路径的软件,目前每个研发团对都在开发专有软件,希望以比传统切片软件更自动化的方式生成工具路径,与大多数软件开发一样,未来将会出现工具路径生成软件的标准,而这将进一步促进业界以此3D打印方法批量生产无人机。3D打印无人机比连续纤维3D打印技术出现更早,但是除了2015年激光科学飞行公司的验证机,并未掀起更多热潮,而日趋成熟的连续纤维3D打印技术,可能会成为3D打印无人机的新动力,进而开启无人机发展新热潮。



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