聚合物定向能量沉積(DED)3D打印有什么好處？

來源：3D打印商情

導(dǎo)讀：近十年來，增材制造一直是制造業(yè)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。這種增長得益于材料和設(shè)備開發(fā)方面的進(jìn)步神速。然而，設(shè)計(jì)工具并沒有以同樣的速度發(fā)展。這與技術(shù)的多樣性有關(guān)，幾乎每個(gè)月都會(huì)出現(xiàn)新的變化。這使得這些工具的大型制造商難以覆蓋甚至是部分覆蓋市場。此外，材料和工藝設(shè)置的復(fù)雜相互作用，以及增材制造部件的各向異性材料行為要求測試程序比產(chǎn)生更多各向同性材料性能的工藝要大得多。因此，標(biāo)準(zhǔn)化測試和獲得高保真數(shù)據(jù)集的工作進(jìn)展緩慢，而且費(fèi)用高昂。

雖然金屬增材制造部件越來越多地用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用，但很少有塑料增材制造部件和工藝為此提供足夠的耐久性。因此，到目前為止，更大的努力主要集中在金屬和聚合物粉末床的融合過程上。此外，由于3D打印機(jī)和所需材料的低成本，許多研究小組一直致力于研究材料擠出(ME)工藝。然而，由于與傳統(tǒng)的、大批量的制造技術(shù)相比，降低了零件性能，并不適合于更多的最終用途應(yīng)用。大多數(shù)數(shù)據(jù)不具備可比性，甚至顯示出很大的差異，因此，模擬工作進(jìn)展緩慢，往往無法用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

因此，信心水平仍然很低，技術(shù)的適應(yīng)也很緩慢�？偛课挥诩永�福尼亞硅谷的AREVO公司開發(fā)了一種技術(shù)，可以直接數(shù)字化制造超高強(qiáng)度、重量輕的復(fù)合材料零件，以便在高容量的情況下應(yīng)用于最終用途。最近，該公司的研究人員開發(fā)了一種新的方法來克服這些挑戰(zhàn)。它屬于定向能量沉
積(DED)范疇。

DED最為人所知的是金屬原料，它可以是粉末，也可以是線材，被送入激光或電子束的路徑，隨著材料的沉積而熔化。線材工藝的通過率很高，但就像所有金屬工藝一樣，它需要一個(gè)受控的環(huán)境；在這種情況下，它需要一種屏蔽氣體。

由AREVO開發(fā)的聚合物DED使用熱塑性聚合物基體浸漬的碳纖維“絲”或長絲，但它不需要受控環(huán)境。它能夠處理50%以上的碳纖維體積含量，并具有先進(jìn)的建模和軟件能力。對這些復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了全面的研究，為模擬提供了有價(jià)值的輸入和驗(yàn)證，并利用該軟件進(jìn)行了可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

為了更好地理解DED的價(jià)值主張，需要將其與其他過程進(jìn)行比較。在復(fù)合材料制造過程中，在高壓釜中固化是金的標(biāo)準(zhǔn)。這是唯一的工藝，消除了所有的缺陷，從材料和加工，如空隙，樹脂富區(qū)，壓實(shí)不足，固化程度(僅對熱固性材料)。所有這些問題都會(huì)對零部件的機(jī)械性能產(chǎn)生不利影響。因此，與其他制造技術(shù)生產(chǎn)的零件相比，蒸壓構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度最高。由于需要減少資本投資、增加制造靈活性、擴(kuò)大零件、減少消耗品和模具成本以及與芯片有關(guān)的問題(堆芯破碎和穩(wěn)定問題)，在零件性能允許的情況下，使用越來越多的高壓釜(OOA)工藝。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，OoA處理通常達(dá)到蒸壓性能的50-70%。

在現(xiàn)有的復(fù)合材料制造技術(shù)中，熱塑性塑料和連續(xù)纖維增強(qiáng)同時(shí)使用的技術(shù)很少。使用熱固性通常需要兩步工藝的預(yù)成型和隨后的注射和固化，例如，內(nèi)翻、長絲纏繞、編織和囊式成型或AFP。在同時(shí)進(jìn)行成型、注射和固化的情況下，如RTM、濕壓和拉擠，形狀非常有限，而且總是需要雙面模具。注射時(shí)間和固化時(shí)間仍然是時(shí)間限制因素，過快時(shí)會(huì)產(chǎn)生空隙和壓實(shí)不足的風(fēng)險(xiǎn)。


具有連續(xù)纖維的
熱塑性復(fù)合材料制造工藝如下：
定制纖維敷設(shè)，TFP，是一種拼接或縫合技術(shù)，使用上下縫合線將預(yù)定圖案中的CF粗紗等增強(qiáng)材料固定在基材上。當(dāng)將含有增強(qiáng)纖維和基體纖維的混合或混雜紗線放置在一起以產(chǎn)生預(yù)成型件時(shí)，隨后可以使用壓縮成型工藝來鞏固零件。這使得TFP成為一個(gè)兩步的過程，類似于需要模具的熱固性工藝。

玻璃纖維熱塑性復(fù)合材料GMT在壓縮成型過程中，在熱塑性基體(主要是聚丙烯)中使用預(yù)浸漬的連續(xù)無規(guī)纖維增強(qiáng)材料，在工業(yè)規(guī)模上生產(chǎn)簡單而又大型的部件。隨機(jī)纖維取向使零件具有更準(zhǔn)備的相同性特性。

自動(dòng)纖維敷設(shè)，AFP，是一種利用熱和壓實(shí)力將預(yù)浸漬纖維拖曳放置在復(fù)雜工具上的過程。雖然該技術(shù)主要用于熱固性預(yù)浸料，需要隨后的高壓釜固化，但熱塑性拖曳也可以實(shí)現(xiàn)原位固結(jié)。雖然在一般情況下是非常靈活的，它是最適合于復(fù)雜的彎曲層壓板結(jié)構(gòu)與量身定制的纖維取向。它僅限于大的平面內(nèi)轉(zhuǎn)向半徑的光纖和不可能放置在z方向。

DED允許打印低于或等于50 vol%碳纖維的復(fù)合材料，這是高性能所必需的，并且可以達(dá)到與其他復(fù)合材料制造工藝類似的大幅度降低組件重量的目的。此外，使用激光作為加熱機(jī)制會(huì)產(chǎn)生優(yōu)異的界面強(qiáng)度和打印速度，這將這一技術(shù)從原型發(fā)展到制造，如圖1所示。

圖1.連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性長絲的DED 3D打印技術(shù)原理圖，該技術(shù)由激光熱源熔化，由滾筒壓實(shí)生成三維物體。

下面的數(shù)字比較了DED工藝與前面提到的連續(xù)纖維復(fù)合制造工藝以及增材制造工藝。

圖2.廢鋼率的工藝比較(FDM=熔融沉積模型，SLA=立體熔積，PBF=粉末床熔煉，BJ=粘結(jié)劑噴射，SL=薄板疊層，MJ=材料噴射)。

圖3.廢品率的過程比較。

圖4.制造過程中所需消耗品和支撐結(jié)構(gòu)數(shù)量的過程比較。

DED工藝結(jié)合了AM工藝和
自動(dòng)化復(fù)合制造工藝的許多優(yōu)點(diǎn)：
1、熱塑性基體的原位固結(jié)縮短了熱固性樹脂的循環(huán)時(shí)間和生產(chǎn)步驟；
2、使用AFEA和機(jī)器人制造單元進(jìn)行快速和自動(dòng)化生產(chǎn)；
3、按需生產(chǎn)；
4、用AFEA代替二維層的準(zhǔn)各向同性疊加優(yōu)化光纖路徑；
5、低空隙含量(<1%)；
6、幾何復(fù)雜形狀的精確定位；
7、過程可重復(fù)性；
8、近凈形狀幾何學(xué)將廢料減少到<5-10%；
9、幾乎不受限制的零件尺寸；
10、True3D利用平面和平面外的連續(xù)光纖路徑；
11、小半徑下至20毫米的平面內(nèi)轉(zhuǎn)向；
12、2-3毫米薄單向墻；
13、壁厚差異；
14、打印復(fù)雜的幾何圖形，包括雙曲面、接頭(例如T-接頭和Y-接頭)、空心管；
15、只要纖維的剛度可用于橋接(不超過120毫米)，就可以在沒有支撐結(jié)構(gòu)的情況下打印空心管。

此外，最近在SAMPE會(huì)議上提出的一篇論文表明，傳統(tǒng)的復(fù)合預(yù)測工具適用于這一DED過程。這使得設(shè)計(jì)者能夠基于一組全面的數(shù)據(jù)和對構(gòu)件使用期限內(nèi)所經(jīng)歷的各種復(fù)雜負(fù)載情況的結(jié)構(gòu)分析來創(chuàng)建新的組合設(shè)計(jì)。例如，產(chǎn)生于這些新功能的第一批結(jié)構(gòu)部件之一是帶有或不帶電驅(qū)動(dòng)的可攜帶的3D打印自行車框架。然而，自行車只是一個(gè)開始，各種制造領(lǐng)域，如航空航天、運(yùn)輸和建筑，都可以期待在不久的將來有廣泛的新設(shè)計(jì)、新形狀和新零件。（文/Natalie Rudolph博士，AREVO研究與發(fā)展副總裁）