連續(xù)纖維增材制造技術(shù)可能會顛覆航空復合結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)模式

2019年3月，JEC組委會（世界上最大的復合材料展覽會）將2019年度增材制造（3D打?。﹦?chuàng)新獎授予美國連續(xù)復合材料公司，洛克希德空軍研究實驗室Martin團隊對連續(xù)纖維3D打印技術(shù)開發(fā)中的創(chuàng)新表示認可。 Continuous Composites是連續(xù)纖維增強3D打印技術(shù)的先驅(qū)，并于2012年獲得了世界上最早的工藝專利。自2014年在美國推出第一臺連續(xù)纖維3D打印機以來，該技術(shù)發(fā)展迅速，并在航空領域得到了廣泛應用。隨著該技術(shù)的逐步成熟和大規(guī)模應用，該技術(shù)可能會顛覆現(xiàn)有的復合無人機和低成本復合航空結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)模式。

連續(xù)纖維3D打印技術(shù)的優(yōu)勢連續(xù)纖維3D打印技術(shù)全面利用了工業(yè)機器人，3D打印的末端執(zhí)行器，原位檢測，智能監(jiān)控和機器學習等技術(shù)，可以在原位快速運輸和沉積連續(xù)纖維增強材料和基體樹脂。固化方面，與傳統(tǒng)的自動線成型和熔融沉積成型工藝相比，自動化程度和靈活性更高。對于典型的碳纖維/ PEEK零件，研發(fā)周期可以縮短到原來的1/30，生產(chǎn)速度可以提高100倍。連續(xù)光纖3D打印機可以由具有靈活單元的多個機械手組成?？梢詫⒍鄠€3D打印末端執(zhí)行器添加到機器人。同時，打印頭可以支撐碳纖維，凱夫拉爾纖維，玻璃纖維甚至光纖和金屬線等材料。它可以用于大量生產(chǎn)復合零件，也可以一次印刷非常復雜的幾何形狀或需要極其精確制造的關(guān)鍵零件。連續(xù)纖維3D打印技術(shù)的發(fā)展方向目前，美國和歐洲的3D打印技術(shù)開發(fā)商和機器人制造商共同開發(fā)了一系列先進的連續(xù)纖維3D打印設備和制造過程列表。主要的應用方向和發(fā)展如下。低成本復合材料結(jié)構(gòu)的批量生產(chǎn)Arevo開發(fā)了直接能量沉積（DED）工藝，將熱塑性預浸料絲束打印成零件，空中客車資本（Airbus Capital）投資了該公司。 DED工作單元由一個工業(yè)機器人，一個激光加熱的打印頭和一個旋轉(zhuǎn)的施工平臺組成。與傳統(tǒng)的3D打印相比，它可以將生產(chǎn)速度提高100倍。除了無人機機身，機翼和其他航空部件外，Arevo還生產(chǎn)類似于無人機車架結(jié)構(gòu)的自行車車架。連續(xù)纖維3D打印技術(shù)將其開發(fā)周期從18個月縮短到18天。

該公司的新工廠于2019年2月投入運營，擁有八個機器人工作單元，它們可以完成打印本身，后處理（例如鉆孔）和噴漆的預磨削，每個單元總共可以生產(chǎn)八個大型零件天。該公司正在測試每個機器人多個打印頭和每個工作單元多個機器人，以將生產(chǎn)速度提高三倍。為了在整個加速過程中保持質(zhì)量和可重復性，該公司使用現(xiàn)場檢查和機器學習技術(shù)為打印頭配備了多個傳感器（高度，壓力，變形等的測量），并且系統(tǒng)軟件使用這些傳感器傳感器數(shù)據(jù)。根據(jù)需要實時調(diào)整過程參數(shù)。這樣，當工作單元需要更快地運行時，可以確保沉積速率，加熱，固化和其他參數(shù)達到最佳匹配。 arevo 3D打印技術(shù)美國Orbital Composites Corporation開發(fā)了一種高度定制的3D打印設備，該設備由并行機器人和模塊化同軸擠出末端執(zhí)行器組成。擠出噴嘴通過其中心孔和周圍的環(huán)形噴嘴供應基礎材料。纖維供應，并行機器人通過多次協(xié)作來加快生產(chǎn)速度。系統(tǒng)3D打印速度提高了100倍。該技術(shù)的特點是它幾乎可以適應任何復合材料：干燥和粘合的3-48K絲束纖維；塑料，陶瓷或金屬基材，包括熱固性/熱塑性和碳化硅；以及結(jié)合銅或鋁線，納米材料，導電油墨或其他有助于實現(xiàn)多功能結(jié)構(gòu)的材料的能力。這使其特別適用于無人機應用，在該應用中，一臺設備的投資可以應用于所有結(jié)構(gòu)和功能組件。由美國鐵路復合材料有限公司（American Rail Composites Co.，Ltd.）進行3D打印的產(chǎn)品。

意大利Moi Composites開發(fā)的連續(xù)纖維制造工藝旨在解決用熱固性樹脂進行3D打印的挑戰(zhàn)，并成功地用環(huán)氧，丙烯酸和乙烯基酯纖維印刷了連續(xù)玻璃增強復合材料。除了適用于碳纖維應用的固化機制外，此過程還可以使用UV固化，所需的固化時間少于1s。目前，該技術(shù)已開始用于制造航空結(jié)構(gòu)件。 Moy Composites快速發(fā)展具有復雜或精確結(jié)構(gòu)且小批量生產(chǎn)的3D打印工藝南卡羅來納大學麥克奈爾航空航天創(chuàng)新研究中心的研究團隊已開發(fā)出熔融長絲制造（FFF）工藝。 FFF系統(tǒng)配備了具有連續(xù)纖維沉積末端執(zhí)行器的工業(yè)機器人平臺，可提供7個自由度。該技術(shù)非常適合三種類型的應用：首先，制造具有相對較高的模具或芯棒成本的小批量航空結(jié)構(gòu)，例如僅需要特定高強度組件的無人機或小型飛機。其次，使用其他制造方法不能生產(chǎn)出需要強度質(zhì)量比和剛度質(zhì)量比的高度復雜的結(jié)構(gòu)，例如加強格柵；第三是套印，這是一種在打印過程中插入組件并因此完全嵌入到已打印零件中的技術(shù)，可以實現(xiàn)零件集成，例如在已打印零件中嵌入射頻識別芯片或電子傳感器。傳統(tǒng)收養(yǎng)自動拖曳式航空航天結(jié)構(gòu)的集成度很低，該技術(shù)的亮點在于，如果使用熱塑性材料制成復合結(jié)構(gòu)，則每次通過套印將其重新熔化以添加新的組件時，就無需鉚釘，緊固件和粘合劑這些結(jié)構(gòu)可以得到顯著改善。麥克奈爾3D打印技術(shù)旨在生產(chǎn)高度復雜且獨特的結(jié)構(gòu)。 McNair 3D打印復雜零件。荷蘭CEAD集團于2018年11月推出了其“ Prime”大型連續(xù)纖維增材制造3D打印機。其尺寸為2m×4m×1.5m，是歐洲最大的3D打印機。

在制造過程中，打印機首先用所需的熱塑性樹脂預浸漬連續(xù)的玻璃纖維或碳纖維，然后打印頭將連續(xù)的纖維與熔融的熱塑性樹脂顆粒結(jié)合在一起，其中還可以包含一定比例的短切纖維，這對于小批量生產(chǎn)尤其有利。生產(chǎn)大型和復雜的產(chǎn)品。它還具有一個智能的加熱/冷卻系統(tǒng)，可通過熱像儀監(jiān)控過程并根據(jù)需要進行實時調(diào)整。 CEAD集團3D打印高壓釜模具俄羅斯初創(chuàng)企業(yè)Aniso Printing Co.，Ltd.開發(fā)了一種基于復合纖維共擠出工藝的3D打印機，該打印機在將增強長絲供入打印機之前也已進行了預浸漬，但是制成了長絲特殊配方的熱固性樹脂已預先浸漬，而基體樹脂通常是熱塑性塑料。據(jù)說這是因為熱固性聚合物比熱塑性塑料更容易潤濕單根長絲，并且可以提供更好的附著力以提高固化零件的質(zhì)量。批量生產(chǎn)將速度與精度結(jié)合在一起的復雜結(jié)構(gòu)。美國Mark Forge開發(fā)的連續(xù)纖維系統(tǒng)使用兩個打印頭，一個用于基質(zhì)樹脂，另一個用于熱塑性樹脂預浸料絲束。技術(shù)改進的重點是可靠性和可重復性。公司致力于實現(xiàn)流程的完全關(guān)閉并且正在為此開發(fā)一系列功能，例如完全集成的物料跟蹤和全面的自動報告功能。該系統(tǒng)的重要應用是印刷工裝夾具和組件。與機械加工的鋁制部件相比，3D打印的熱塑性產(chǎn)品強度高但重量輕，不會損壞金屬部件等部件，并且可以在同一天進行制備。這可以促進航空復合材料制造模具的發(fā)展。使用快速固化的熱固性樹脂（該方法也適用于熱塑性塑料）并將增強纖維浸入打印頭中，美國的雙機器人連續(xù)纖維3D打印機美國連續(xù)復合材料公司獲得了創(chuàng)新獎連續(xù)纖維打?。–F3D）工藝，材料沉積后，立即固化復合材料。熱固性材料使該過程能夠在自由空間中進行高速打印，纖維體積含量可達到50％到60％。屢獲殊榮的項目的重要發(fā)展包括自動化的刀具路徑生成；自動工具更換，可在同一零件上進行高分辨率單遍打印和高沉積率多遍打印；并提高了機器人的準確性和精確度。該公司預計，將來該技術(shù)將用于按需打印整個飛機結(jié)構(gòu)，無論是10還是10,000。連續(xù)纖維3D打印將多個結(jié)構(gòu)作為單個組件打印。圖片顯示了帶有嵌入式角撐板的飛機翼梁。使用Continuous Composite的3D工藝進行打印，然后通過手工沉積的碳纖維復合材料進行蒙皮。瑞士9T實驗室基于連續(xù)點陣制造工藝開發(fā)了“ CarbonKit”系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用工業(yè)級的廉價材料進行擠出和復合。物料桿，該桿通過牽引裝置進入可調(diào)熱擠出頭，該系統(tǒng)可與一系列熱塑性基體系統(tǒng)，纖維體一起使用體積含量可以達到50％以上。該系統(tǒng)的另一個重要特征是能夠按比例縮小不同的橫截面面積，因此它適用于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，例如加硬的墻板。正在進行的項目已確認每年可以生產(chǎn)約30,000個零件。 9T Labs的3D打印微型無人機框架啟示表明，連續(xù)纖維3D打印技術(shù)仍然存在兩個主要問題：第一，纖維含量低，并且打印層之間分層的可能性高；其次是缺乏標準化的連續(xù)工具生成商業(yè)軟件的途徑。將來，隨著這些問題的解決，該技術(shù)將依賴于靈活性，開放性，高速，高效，低成本和生產(chǎn)完全自動化的優(yōu)勢，并且肯定會與傳統(tǒng)的復合材料制造技術(shù)競爭?？梢灶A見，隨著該技術(shù)的成熟和大規(guī)模應用，將進一步促進航空制造業(yè)探索3D打印無人機，復雜的航空航天結(jié)構(gòu)和制造工具的批量生產(chǎn)，掀起航空復合材料的新潮流發(fā)展。面對國外技術(shù)的飛速發(fā)展，中國應加強情報跟蹤研究和判斷，并結(jié)合原材料，機器人，末端執(zhí)行器，3D打印軟件，傳感器，機器學習和數(shù)控系統(tǒng)等優(yōu)勢企業(yè)，盡早開發(fā)和示范。盡可能采用一系列可獨立控制的工藝和設備，形成大規(guī)模的制造工藝和設備產(chǎn)業(yè)，支持中國制造業(yè)提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，以應對未來面臨的高速低成本競爭。航空復合結(jié)構(gòu)的設計與制造，并滿足以無人機為代表的未來對低成本，大批量按需制造航空設備的需求。