連續(xù)纖維3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

 

　　連續(xù)纖維3D打印技術(shù)綜合利用工業(yè)機(jī)器人、3D打印末端執(zhí)行器、原位檢測(cè)、智能監(jiān)測(cè)與機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，快速輸送、沉積連續(xù)纖維增強(qiáng)體和基體樹(shù)脂，并原位浸漬、固化，與傳統(tǒng)的自動(dòng)鋪絲成型以及熔融沉積成型等工藝相比，自動(dòng)化程度和靈活性更高，對(duì)于典型的碳纖維/聚醚醚酮零件，研發(fā)周期可縮短至原來(lái)的1/30，生產(chǎn)速度可提高100倍。連續(xù)纖維3D打印機(jī)可以由多機(jī)器人組成柔性單元，機(jī)器人上還可添加多個(gè)3D打印末端執(zhí)行器，同時(shí)，打印頭可支持碳纖維、凱夫拉、玻璃纖維甚至光纖和金屬絲等材料，使該技術(shù)既可以用于大批量生產(chǎn)復(fù)合材料零件，也可以一次性打印高度復(fù)雜的幾何形狀或者需要極其精密制造的關(guān)鍵零件。

 

雙機(jī)器人連續(xù)纖維3D打印機(jī)

 

 

　　當(dāng)前，美歐3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)商與機(jī)器人制造商已共同開(kāi)發(fā)了一系列先進(jìn)的連續(xù)纖維3D打印設(shè)備與制造工藝，主要應(yīng)用方向和發(fā)展情況如下。

 

　　一、低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的大批量生產(chǎn)

　　美國(guó)阿瑞沃公司開(kāi)發(fā)了可將熱塑性預(yù)浸絲束打印成零件的直接能量沉積（DED）工藝，空客資本公司參與了對(duì)該公司的投資。DED工作單元由工業(yè)機(jī)器人、激光加熱打印頭和旋轉(zhuǎn)構(gòu)建平臺(tái)組成，與傳統(tǒng)3D打印相比，能夠?qū)⑸a(chǎn)速度提高100倍。除無(wú)人機(jī)機(jī)身、機(jī)翼等航空零件外，阿瑞沃公司還生產(chǎn)與無(wú)人機(jī)框架結(jié)構(gòu)類似的自行車車架，連續(xù)纖維3D打印技術(shù)使其開(kāi)發(fā)周期從18個(gè)月縮短到了18天。該公司于2019年2月投入使用的新工廠擁有8個(gè)機(jī)器人工作單元，可完成包括打印、后處理（如鉆孔）以及用于噴涂的預(yù)打磨等工序，每天共可生產(chǎn)8個(gè)大型零件。該公司正在測(cè)試每臺(tái)機(jī)器人運(yùn)行多個(gè)打印頭以及每個(gè)工作單元運(yùn)行多個(gè)機(jī)器人，以將生產(chǎn)速度再提高3倍。為了在整個(gè)提速過(guò)程中保持質(zhì)量和可重復(fù)性，該公司采用了原位檢測(cè)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，為打印頭配裝多個(gè)傳感器（測(cè)量高度、壓力、變形等）， 系統(tǒng)軟件使用這些傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)需要實(shí)時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)。這樣，當(dāng)工作單元需要更快運(yùn)行時(shí)，就可以確保沉積速率、加熱、固化和其他參數(shù)得到最優(yōu)匹配。

 

　　美國(guó)軌道復(fù)合材料公司開(kāi)發(fā)了由并聯(lián)機(jī)器人、模塊化同軸擠出末端執(zhí)行器組成的高度定制化的3D打印設(shè)備，擠出噴嘴通過(guò)其中心孔供給基體材料，通過(guò)周圍的環(huán)形噴嘴供給纖維，并聯(lián)機(jī)器人通過(guò)多臺(tái)協(xié)作加快生產(chǎn)速度，可比傳統(tǒng)3D打印快100倍。該技術(shù)的特點(diǎn)是可適應(yīng)幾乎任何復(fù)合材料：3-48K絲束的干燥和預(yù)浸纖維；包括熱固性/熱塑性塑料和碳化硅在內(nèi)的塑料、陶瓷或金屬基體；并且能夠結(jié)合銅或鋁線、納米材料、導(dǎo)電油墨或其他有助于實(shí)現(xiàn)多功能結(jié)構(gòu)的材料。這使其特別適合無(wú)人機(jī)類應(yīng)用， 投資一種設(shè)備即可應(yīng)用于所有結(jié)構(gòu)和功能組件。

 

 

　　意大利莫伊復(fù)合材料公司開(kāi)發(fā)的連續(xù)纖維制造工藝，旨在解決使用熱固性樹(shù)脂進(jìn)行3D打印的挑戰(zhàn)，并已成功用環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸和乙烯基酯打印連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。除了適用于碳纖維應(yīng)用的固化機(jī)制外，該工藝還可使用紫外線固化方式，所需固化時(shí)間小于1秒。目前，該技術(shù)已開(kāi)始用于航空結(jié)構(gòu)件制造。

 

　　二、復(fù)雜或精密結(jié)構(gòu)的快速研制和小批量生產(chǎn)

　　美國(guó)南卡羅來(lái)納大學(xué)McNair航空航天創(chuàng)新與研究中心的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種熔融長(zhǎng)絲制造（FFF） 工藝，F(xiàn)FF系統(tǒng)使用配備有連續(xù)纖維沉積末端執(zhí)行器的工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)，可提供7個(gè)自由度。該技術(shù)非常適合三類應(yīng)用：一是模具或芯軸成本相對(duì)過(guò)高的小批量航空結(jié)構(gòu)件制造，如僅需一個(gè)特定高強(qiáng)度組件的無(wú)人機(jī)或小型航空器；二是利用其他制造方法無(wú)法產(chǎn)生所需比強(qiáng)度和比剛度的高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如加強(qiáng)網(wǎng)格；三是復(fù)合模塑，這是一種在打印過(guò)程中插入組件并由此完全嵌入打印零件中的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)零件整合，如在打印零件中嵌入射頻識(shí)別芯片或電子傳感器。傳統(tǒng)采用自動(dòng)絲束鋪放的航空結(jié)構(gòu)集成度很低，而該技術(shù)的亮點(diǎn)在于，如果使用熱塑性塑料制造復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，每次就是通過(guò)復(fù)合模塑工藝重新熔化以增加新組件，避免了鉚釘、緊固件和黏結(jié)劑的使用。

 

　　荷蘭CEAD集團(tuán)于2018年11月推出其Prime大型連續(xù)纖維增材制造3D打印機(jī)，其尺寸為2米×4米×1.5米，是當(dāng)時(shí)歐洲最大的3D打印機(jī)。制造過(guò)程中，打印機(jī)首先使用所需的熱塑性樹(shù)脂預(yù)浸漬連續(xù)玻璃纖維或碳纖維，然后打印頭將連續(xù)纖維與熔化的熱塑性樹(shù)脂顆粒結(jié)合，其中還可包括一定百分比的短切纖維，特別有利于小批量生產(chǎn)大型復(fù)雜產(chǎn)品。它還具有智能加熱/冷卻系統(tǒng)，可通過(guò)熱感攝像頭監(jiān)測(cè)工藝，并根據(jù)需要實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

 

　　俄羅斯初創(chuàng)企業(yè)阿尼索打印公司開(kāi)發(fā)了基于復(fù)合纖維共擠出工藝的3D打印機(jī)，也是在送入打印機(jī)之前對(duì)增強(qiáng)長(zhǎng)絲采用熱固性樹(shù)脂進(jìn)行預(yù)浸漬處理，打印過(guò)程中使用的基體樹(shù)脂則通常是熱塑性塑料。據(jù)稱這是因?yàn)闊峁绦跃酆衔锉葻崴苄运芰细菀诐?rùn)濕單絲，從而提供更好的附著力，提升固化后零部件的質(zhì)量。

 

　　三、將速度與精度相結(jié)合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)大批量生產(chǎn)

 

　　美國(guó)馬克鍛造公司開(kāi)發(fā)的連續(xù)纖維系統(tǒng)使用兩個(gè)打印頭，一個(gè)用于基體樹(shù)脂，另一個(gè)用于熱塑性樹(shù)脂預(yù)浸絲束。技術(shù)改進(jìn)的重點(diǎn)是可靠性和可重復(fù)性。公司致力于實(shí)現(xiàn)工藝的完全閉環(huán)，并正為此開(kāi)發(fā)一系列功能，如完全集成的材料跟蹤和全面的自動(dòng)報(bào)告功能。該系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用是打印工裝夾具及組件，與機(jī)加鋁制組件相比，3D打印的熱塑性產(chǎn)品同樣堅(jiān)固但更輕，不會(huì)像金屬組件那樣破壞零件，而且在同一天內(nèi)就可以準(zhǔn)備好，這可促進(jìn)航空復(fù)合材料制造模具的發(fā)展。

 

　　美國(guó)Continuous Composites公司獲得創(chuàng)新大獎(jiǎng)的連續(xù)纖維打?。–F3D） 工藝，使用快速固化熱固性樹(shù)脂（工藝也適用于熱塑性塑料），將增強(qiáng)纖維浸漬在打印頭內(nèi)，并在材料沉積后立即固化復(fù)合材料。熱固性材料使該工藝能夠在自由空間中執(zhí)行高速打印，纖維體積含量可達(dá)到50%～60%。獲獎(jiǎng)項(xiàng)目中的重要進(jìn)展包括更加自動(dòng)化的工具路徑生成手段；自動(dòng)化的工具更換，可在同一部件上實(shí)現(xiàn)高分辨率單通道打印和高沉積率多通道打??；提高機(jī)器人準(zhǔn)確性和精度等。該公司預(yù)計(jì)未來(lái)此技術(shù)將用于按需打印整個(gè)飛行器結(jié)構(gòu)——無(wú)論是10件還是1萬(wàn)件。

 

連續(xù)纖維3D打印將多個(gè)結(jié)構(gòu)作為單個(gè)組件進(jìn)行打印，圖為帶有嵌入式角撐板的飛機(jī)翼梁。

 

　　瑞士9T實(shí)驗(yàn)室基于連續(xù)點(diǎn)陣制作工藝開(kāi)發(fā)了CarbonKit系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用工業(yè)級(jí)廉價(jià)材料拉擠出復(fù)合材料棒，隨后通過(guò)牽引單元進(jìn)入可調(diào)節(jié)熱量的擠出頭。該系統(tǒng)可以與一系列熱塑性基體體系配合使用，纖維體積含量可達(dá)50%以上。該系統(tǒng)的另一個(gè)重要特征是能擠出不同的橫截面積，即適用于采用小絲束的高分辨率應(yīng)用，也適用于大絲束的大幅面增材制造，如加筋壁板。

 

　　啟示建議

 

　　當(dāng)前，連續(xù)纖維3D打印技術(shù)還存在兩個(gè)主要問(wèn)題：一是纖維含量低，且打印層之間的分層可能性高；二是缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的連續(xù)工具路徑生成商業(yè)軟件。未來(lái)，隨著這些問(wèn)題的解決，該技術(shù)依托靈活開(kāi)放、高速高效、低成本且生產(chǎn)完全自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)，必將會(huì)與傳統(tǒng)復(fù)合材料制造技術(shù)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，該技術(shù)的成熟和大規(guī)模推廣應(yīng)用，將進(jìn)一步促進(jìn)航空制造業(yè)探索以3D打印方式批量生產(chǎn)無(wú)人機(jī)、復(fù)雜航空結(jié)構(gòu)件以及工裝夾具的方法，掀起航空復(fù)合材料發(fā)展的新浪潮。

 

　　面對(duì)國(guó)外技術(shù)飛速發(fā)展的勢(shì)頭，我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)情報(bào)跟蹤研判，聯(lián)合原材料、機(jī)器人、末端執(zhí)行器、3D打印軟件、傳感器、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)控系統(tǒng)等領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)企業(yè)， 盡早開(kāi)發(fā)和演示驗(yàn)證若干系列自主可控的工藝和裝備，形成規(guī)模化的制造工藝和裝備產(chǎn)業(yè)，支撐我國(guó)制造業(yè)提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，以迎接未來(lái)航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造面臨的高速、低成本競(jìng)爭(zhēng)，并滿足未來(lái)以無(wú)人機(jī)為代表的航空裝備低成本大批量按需制造的要求。