荷蘭開發(fā)連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù)

作者： 劉亞威  航空工業(yè)發(fā)展中心

南極熊導(dǎo)讀——對(duì)于追求大批量生產(chǎn)以及小批量復(fù)雜、精密產(chǎn)品制造的應(yīng)用來說，連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù)都可帶來光明的前景，這也是為什么近年來，大學(xué)研究機(jī)構(gòu)、大型制造企業(yè)、小型初創(chuàng)企業(yè)以及成熟的復(fù)合材料公司都在不斷推出新的技術(shù)和產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印，空客資本公司也投資其中。本文介紹的荷蘭技術(shù)就值得一看，它可以在一個(gè)打印過程中同時(shí)使連續(xù)增材纖維、短切增材纖維以及未增強(qiáng)的聚合物顆粒，擁有完全自動(dòng)化的制造工藝以及先進(jìn)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

復(fù)合材料世界雜志5月刊文稱，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印正不斷擴(kuò)展和發(fā)展。自Markforged公司于2014年宣布推出Mark One連續(xù)纖維3D打印機(jī)以來，已經(jīng)出現(xiàn)了許多新的公司和開發(fā)項(xiàng)目。荷蘭CEAD公司就開發(fā)了自己的連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù)。

一、在一次打印中使用和不使用連續(xù)纖維進(jìn)行打印
CEAD由Lucas Janssen與Logtenberg一起創(chuàng)立。Logtenberg表示：“我們?yōu)檫@個(gè)行業(yè)制作了許多不同的3D打印機(jī)，我正在調(diào)查市場(chǎng)，并感覺缺少適合真正工業(yè)應(yīng)用的大規(guī)模材料打印。與單獨(dú)使用熱塑性塑料相比，你需要更多的強(qiáng)度。因此，我們開發(fā)了自己的專利技術(shù)。”

“我們?nèi)匀恍枰�使用短纖維和不用纖維來打印。”這就是為什么CEAD的連續(xù)纖維增材制造（CFAM）技術(shù)能夠使用連續(xù)纖維進(jìn)行打印，并在同一過程中直接擠出未增強(qiáng)或短纖維增強(qiáng)的顆粒。“我們不需要更換打印頭，我們將連續(xù)纖維放在熔體中間，因此兩者同時(shí)擠出。但他們使用不同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。連續(xù)纖維被推過打印頭但預(yù)先浸漬以確保質(zhì)量�！�

Logtenberg表示，注塑和包塑復(fù)合材料以及壓塑直接長(zhǎng)纖維熱塑性（DLFT）復(fù)合材料已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)，直接擠出顆粒/粒狀材料對(duì)工業(yè)生產(chǎn)來說更便宜�！斑@些材料必須在預(yù)打印前進(jìn)行干燥，我們開發(fā)了自己的干燥機(jī)，它與CFAM機(jī)床相連�！�

與包塑成型的熱塑性復(fù)合材料類似，對(duì)于每次打印，在預(yù)浸漬的連續(xù)長(zhǎng)絲和未增強(qiáng)的或短纖維增強(qiáng)的直接擠出材料中使用相同的聚合物。該公司已經(jīng)加工了多種聚合物，包括ABS、PC、PEEK、PET、PLA和PP。他們正在探索PEKK和低熔點(diǎn)PAEK。

二、加熱區(qū)和龍門架與機(jī)器人
目前，CEAD提供具有四個(gè)加熱區(qū)的機(jī)器人擠出機(jī)，以及基于龍門的CFAM Prime機(jī)器，在擠出機(jī)中具有4×2×1.5米的構(gòu)建體積和10個(gè)加熱區(qū)。“我們?cè)?017年開始開發(fā)，打印頭基于通常與注塑成型一起使用的單螺桿擠出機(jī)。你需要逐漸加熱材料不同區(qū)域，以便可以施加所需的大量壓力（50-60巴）來擠出這么多材料。顆粒被轉(zhuǎn)移到桶中，在那里熔化，然后壓縮并推動(dòng)它們。如果加熱太快，擠出機(jī)中不會(huì)產(chǎn)生壓力�！�

為什么單獨(dú)出售擠出機(jī)/打印頭？Logtenberg表示：“客戶還想要一個(gè)較小的機(jī)械臂擠出機(jī)來制造自己的機(jī)床，但不使用連續(xù)纖維，只需直接擠出。”那為什么要用CFAM Prime的龍門架呢？是因?yàn)榫�度和速度。“機(jī)器人確實(shí)擅長(zhǎng)提供相對(duì)精度，但是他們從A點(diǎn)到達(dá)B點(diǎn)的方式是不準(zhǔn)確的。通過3D打印，你必須持續(xù)精確地移動(dòng)，以創(chuàng)建高質(zhì)量的成品件。”

“另一個(gè)問題是速度，”他繼續(xù)道�！拔覀兿Ｍ�工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量高，而且分辨率高。使用我們的擠出機(jī)的機(jī)械臂可以以4米/分鐘的速度移動(dòng)，這對(duì)于機(jī)器人來說非常快，但是龍門機(jī)可以以60米/分鐘的速度移動(dòng)。

龍門架提供了速度，不過機(jī)械臂上的擠出機(jī)仍然提供多軸打印�！拔覀兏信d趣的是使用多軸打印來克服當(dāng)前的z方向的性能挑戰(zhàn)（典型的切片打�。�。我們首先開發(fā)了龍門架系統(tǒng)，但現(xiàn)在西門子推出了一種新的控制系統(tǒng)，可在機(jī)械臂上提供相同的控制。所以我們正在開發(fā)5軸機(jī)床，龍門架系統(tǒng)仍然更快，但這個(gè)新系統(tǒng)提供真正的多軸鋪放。”公司設(shè)想結(jié)合兩個(gè)系統(tǒng)，開發(fā)類似于5軸數(shù)控銑床配置的機(jī)床。

三、冷卻和控制
3D打印中的一個(gè)問題是控制塑料基體的收縮。盡管CFAM Prime最初使用紅外（IR）加熱管理來自熱感攝像頭的輸入，但Logtenberg承認(rèn)該系統(tǒng)在打印復(fù)雜形狀時(shí)會(huì)產(chǎn)生不均勻的加熱�！拔覀�?nèi)匀皇褂梅忾]的打印艙，現(xiàn)在正在開發(fā)一種加熱的打印床。這將提供更均勻的熱量，我們?nèi)詫⑹褂脽岣袛z像頭監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)。如果兩次打印相同的部件相隔六個(gè)月，打印艙內(nèi)的溫度曲線和條件也將相同�！�

Logtenberg指出，CFAM Prime擠出的材料非常多，其中含有大量能量�！耙虼耍�很難快速冷卻它以使打印穩(wěn)定。人們想要冷卻打印層以使它們?cè)诖蛴�時(shí)保持穩(wěn)定�！边@種冷卻是如何實(shí)現(xiàn)的？“使用強(qiáng)制通風(fēng)，很多空氣。”他指出，在打印床和封閉的打印艙中加熱是控制翹曲的一部分�！耙�在冷卻層之上鋪放熱層。但是最好將材料保持在其Tg以上，對(duì)于某些材料來說超過150°C，因?yàn)樗�在上面打印時(shí)是穩(wěn)定的�！奔词共捎眠@種工藝，Logtenberg也注意到零件中總會(huì)存在一些熱應(yīng)力�！澳憧梢宰鲆恍┖筇幚聿襟E來消除部分應(yīng)力�！�

CEAD使用西門子系統(tǒng)來控制其機(jī)床。Logtenberg解釋道：“它們能夠應(yīng)對(duì)工藝和材料方面的復(fù)雜挑戰(zhàn)。” CEAD在西門子系統(tǒng)下編寫了自己的軟件，以提供簡(jiǎn)單的用戶界面。他指出，“機(jī)器采用G代碼運(yùn)行，這也是工業(yè)銑床使用的標(biāo)準(zhǔn)，這為零件編程提供了自由。它可以使用開源切片機(jī)，也可以使用西門子NX，這是一款功能強(qiáng)大的軟件工具�！�

Logtenberg說客戶可以選擇他/她想要的復(fù)雜程度�！拔覀兊姆椒ǚ浅ｉ_源，可以使用不同類型的打印軟件。因此，如果客戶想要非常簡(jiǎn)化的打印，只需按一下按鈕即可，但也可以使用更高級(jí)的軟件。不過，客戶必須具備如何使用它的知識(shí)。我們的愿景是讓人們決定他們想要使用什么，然后我們支持他們。”Logtenberg指出，CEAD正在向企業(yè)銷售，而不是向消費(fèi)者銷售。（是2B而不是2C）“因此我們有能力提供更多支持。”

四、打印的零件和性能
Logtenberg指出：“你可以感受到用連續(xù)纖維打印的零件與用短切纖維打印的零件之間的差異，但我們還沒有測(cè)試過性能�！边@是下一個(gè)任務(wù)，現(xiàn)在機(jī)床開發(fā)和初始啟動(dòng)已經(jīng)完成�！敖衲晡覀儗⒅铝τ趯�(duì)材料進(jìn)行全面表征，并為每種材料組合制作具有抗壓強(qiáng)度、剛度等的數(shù)據(jù)表�！�

確定孔隙含量和纖維容量也是這種表征工作的一部分。Logtenberg承認(rèn)：“我們的纖維含量目前并不高，如果你使用的是短切纖維顆粒，你可以得到30％重量的纖維。添加連續(xù)纖維只會(huì)增加10％，因?yàn)榭偖a(chǎn)量和體積都很大�！�

壓實(shí)減少孔隙含量怎么樣？“噴嘴本身會(huì)壓縮打印層。你必須擁有正確的層高與寬度。如果你控制得力，你會(huì)在各層之間獲得良好的附著力。“他解釋說，高度與寬度的比例應(yīng)該在正確的范圍內(nèi)，以允許在打印層中的壓縮力和足夠的熱量，以在層中實(shí)現(xiàn)良好的熔融�！袄�如，在5毫米高，5毫米寬的打印層中，幾乎沒有壓縮力。對(duì)于5毫米高的層，你需要10毫米的寬度�！�

Logtenberg表示，CEAD不斷改進(jìn)CFAM Prime的打印質(zhì)量。“我們已經(jīng)開發(fā)了許多用于動(dòng)態(tài)打印的內(nèi)部軟件。由于擠出機(jī)推出材料而機(jī)床必須減速以轉(zhuǎn)向，所以還存在一些問題�！拔覀儸F(xiàn)在已經(jīng)解決了這個(gè)問題。我們繼續(xù)使用傳感器、動(dòng)力學(xué)和層溫來開發(fā)跟蹤措施，以改善過程控制�！�

五、未來的愿景
傳統(tǒng)復(fù)合材料行業(yè)中的許多人質(zhì)疑，3D打印的連續(xù)纖維復(fù)合材料具有如此低的纖維含量和如此高的打印層之間的分層可能性，如何與傳統(tǒng)復(fù)合材料競(jìng)爭(zhēng)。Logtenberg對(duì)此表示贊同。“當(dāng)然，z方向強(qiáng)度是3D打印復(fù)合材料最具挑戰(zhàn)性的因素之一。我們目前沒有與傳統(tǒng)復(fù)合材料競(jìng)爭(zhēng)。我們相信，未來我們將能夠與傳統(tǒng)復(fù)合材料競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)槲覀兊纳�產(chǎn)完全自動(dòng)化，但我們還有很長(zhǎng)的路要走。目前，它是當(dāng)前制造方法的補(bǔ)充，提供了靈活性和開放式設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)可能性。”