Caracol大幅面增材制造（LFAM）解決方案為航空航天領(lǐng)域賦能

導(dǎo)讀：增材制造發(fā)展至今，其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用重要性已經(jīng)不言而喻。當(dāng)然，這不僅僅只是指某個(gè)單一的增材制造工藝。航空航天行業(yè)的原始設(shè)備制造商（OEM）越來越多地針對各種用例選擇廣泛的 3D 打印工藝和解決方案，從直接金屬激光燒結(jié) (DMLS) 到熔融沉積成型 (FDM) ），到大幅面增材制造（LFAM）。

在開發(fā)LFAM解決方案的廠商中，意大利公司 Caracol是一家典型代表，該公司可以支持航空航天制造商生產(chǎn)大型復(fù)合材料模具，并正在擴(kuò)展其生產(chǎn)太空應(yīng)用大型金屬結(jié)構(gòu)零件的專業(yè)知識和能力。Caracol公司獨(dú)特且多功能的 LFAM 解決方案（適用于復(fù)合材料和金屬）具有多種優(yōu)勢，并使航空航天從業(yè)者者能夠達(dá)到更高水平的創(chuàng)新和效率。

Caracol 的 LFAM 解決方案

自 2017 年在米蘭成立以來，Caracol憑借其應(yīng)用優(yōu)先的方法，已成為 LFAM 領(lǐng)域的關(guān)鍵領(lǐng)導(dǎo)者。早期，該公司只是一家 3D 打印服務(wù)提供商，利用其機(jī)器人增材制造技術(shù)以及內(nèi)部設(shè)計(jì)和工程能力，為不同行業(yè)的合作伙伴生產(chǎn)一系列項(xiàng)目和合格的零件。此后，該公司又開發(fā)了聚合物和復(fù)合材料 LFAM 技術(shù)——Heron AM，并將其商業(yè)化。這是一款 6 軸機(jī)器人 3D 打印機(jī)，能夠生產(chǎn)無尺寸限制和復(fù)雜幾何形狀的零件。該平臺自推出以來，在多家先進(jìn)行業(yè)知名OEM廠商得到應(yīng)用。

大幅面 Heron AM 3D打印解決方案基于Caracol的專利硬件和專有軟件，與多種材料（包括 PP、ABS 和玻璃纖維或碳纖維增強(qiáng) PC）兼容，為航空航天業(yè)帶來多項(xiàng)優(yōu)勢部門，包括：

• 減輕重量
• 零件整合
• 靈活的生產(chǎn)計(jì)劃
• 專用材料
• 復(fù)雜的設(shè)計(jì)
• 更少的消耗
• 降低成本
  

最近，Caracol 還進(jìn)軍了金屬增材制造領(lǐng)域，目前他們正在開發(fā)線弧增材制造 (WAAM) 系統(tǒng)。該技術(shù)適用于生產(chǎn)大型金屬部件，例如非結(jié)構(gòu)成品部件、用于測試的結(jié)構(gòu)部件原型以及航天器的關(guān)鍵部件。該系統(tǒng)目前尚未商業(yè)化，但它是Caracol幾個(gè)創(chuàng)新研究項(xiàng)目的核心，其中包括一個(gè)針對航天工業(yè)的項(xiàng)目，我們將在下文中進(jìn)一步介紹這一項(xiàng)目。

民用航空復(fù)合材料工裝

在民航行業(yè)，Caracol的HeronAM解決方案在復(fù)合材料模具的生產(chǎn)方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。例如，該技術(shù)已成功用于制造由玻璃纖維增強(qiáng) ABS 制成的修整和鉆孔工具以及由碳纖維增強(qiáng) ABS 材料制成的冷層壓工具。這兩種工具都用于飛機(jī)機(jī)身的生產(chǎn)和維護(hù)。

修整和鉆孔工具用于飛機(jī)機(jī)身的建造和維護(hù)，以對鋁、鈦和復(fù)合材料等材料進(jìn)行切割和成型。機(jī)身部件必須尺寸精確并符合航空業(yè)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，因此飛機(jī)制造商必須有能力生產(chǎn)符合規(guī)格的高質(zhì)量修整和切割工具。就其本身而言，冷層壓工具也是飛機(jī)制造和維護(hù)中的重要部分。具體來說，維修人員在現(xiàn)場維修機(jī)身系統(tǒng)時(shí)使用它們，在機(jī)身部件的表面涂上一層薄薄的保護(hù)膜，防止腐蝕、劃痕和其他操作損壞，從而有助于延長飛機(jī)的使用壽命。

在生產(chǎn)這些航空工具時(shí)，Caracol 使用了配備高流量 (HF) 擠出機(jī)的 Heron 300+ 配置。該 LFAM 系統(tǒng)采用無導(dǎo)軌標(biāo)準(zhǔn)配置，能夠打印長度長達(dá)三米的工具。兩種工具都是一體打印的，最大限度地減少了組裝需求，并使用 CNC 加工進(jìn)行精加工，以確保嚴(yán)格的公差和最佳的表面光潔度。

與傳統(tǒng)的模具工藝相比，Caracol 的解決方案使航空制造商能夠減少材料浪費(fèi)（高達(dá) 70-80%）、減輕模具重量（減少 80-90% 以方便運(yùn)輸和存儲）并將交貨時(shí)間縮短一半（從 12周至 5-6 周），這反過來又可以顯著節(jié)省 50% 左右的成本。

用于 eVTOL 飛機(jī)的固化工具

Caracol 還在探索將其技術(shù)用于固化模具的生產(chǎn)當(dāng)中，特別是在 eVTOL 飛機(jī)（電動垂直起降）等領(lǐng)域中的模壓熱固性預(yù)浸料過程。固化工具用于碳纖維層壓工藝，通常根據(jù)最終部件的幾何形狀進(jìn)行定制設(shè)計(jì)。在電垂直起降飛行器生產(chǎn)中，這些工具是由高性能復(fù)合材料制成的，例如聚碳酸酯，其中含有 20% 的碳纖維增強(qiáng)材料，并且必須能夠耐受中溫?zé)釅哼^程 (高達(dá) 180°C 和 6bar的工作溫度和壓力)。利用 LFAM 直接生產(chǎn)復(fù)合模具可以減少生產(chǎn)步驟（即不再需要主模型）。此外，由于增材制造的設(shè)計(jì)靈活性，該工具可以針對重量和搬運(yùn)進(jìn)行優(yōu)化，便于物流和存儲。

Caracol 解釋道：“憑借其六軸和幾米寬的機(jī)械臂范圍，Heron AM 可在單個(gè)工作周期內(nèi)打印具有復(fù)雜幾何形狀的固化工具，而無需組裝。大多數(shù)情況下，打印后的模具會通過 CNC 進(jìn)行后處理，以達(dá)到其工作表面所需的表面粗糙度和尺寸公差。這也使我們能夠?yàn)槟＞吲鋫浒疾�，以便直接在模具中修整最終部件�！� 最終，eVTOL 飛機(jī)制造商可以通過使用 LFAM 生產(chǎn)固化工具來獲得競爭優(yōu)勢并提高生產(chǎn)效率，因?yàn)樗�有助于減少浪費(fèi)、縮短交貨時(shí)間并降低制造成本。

金屬 LFAM 零件在太空中的應(yīng)用

Caracol 在航空航天業(yè)的影響力也超出了復(fù)合材料大型增材制造的范圍：該公司目前正在推進(jìn)金屬增材制造在太空應(yīng)用大型結(jié)構(gòu)部件中的應(yīng)用。在與太空物流公司 D-Orbit S.p.A. 和米蘭理工大學(xué)機(jī)械工程系的合作下，Caracol 正在開展一個(gè)項(xiàng)目，開發(fā)可安裝在運(yùn)載衛(wèi)星上的壓力罐，用于將CubeSats運(yùn)輸和釋放到軌道上。這些緊湊的CubeSats可用于多種用途，例如數(shù)據(jù)收集和研究，以及研究和商業(yè)應(yīng)用的電信和監(jiān)測操作。

Caracol 在 TechFastLombardia 融資招標(biāo)（POR FESR 2014-2020）后參與了該創(chuàng)新項(xiàng)目。簡而言之，該公司一直在使用其 WAAM 3D 打印解決方案— 基于金屬惰性氣體 (MIG) 焊接系統(tǒng) — 開發(fā)采用輕質(zhì)鋁合金 (AL2319) 制成的加壓罐。與更傳統(tǒng)的纖維繞工藝相比，增材制造的使用已經(jīng)帶來了多項(xiàng)優(yōu)勢，包括更復(fù)雜、優(yōu)化的設(shè)計(jì)、更少的材料浪費(fèi)和卓越的減重效果。減輕重量對于該應(yīng)用尤為重要，因?yàn)樗�可以顯著降低與衛(wèi)星發(fā)射相關(guān)的燃料和推進(jìn)劑成本，并減少航天器發(fā)射過程中的尾氣排放。Caracol 的 WAAM 工藝還通過打印單件零件來簡化生產(chǎn)流程。這消除了組裝殼、芯、心軸、配件等部件的需要，并顯著縮短了交貨時(shí)間。

這個(gè)金屬增材制造項(xiàng)目在另一個(gè)層面上也具有重要意義。正如Caracol解釋的那樣，項(xiàng)目合作伙伴還開發(fā)了一種“數(shù)字流程”，它將軟件、控制和自動化結(jié)合起來，以管理創(chuàng)建金屬航空航天零件的端到端流程。這種數(shù)字流程使最終用戶能夠“在高度自動化和高效的工作流程中控制每個(gè)流程階段，保證可重復(fù)性，使 WAAM 技術(shù)成為傳統(tǒng)制造的有效且高效的替代方案�！�

LFAM 在航空航天領(lǐng)域的挑戰(zhàn)和機(jī)遇

Caracol 的復(fù)合材料和金屬材料LFAM 解決方案符合航空航天增材制造的大趨勢。該行業(yè)同樣對大幅面增材制造抱有很大的興趣，并正在與增材制造廠商合作，克服該技術(shù)實(shí)施的現(xiàn)有限制和挑戰(zhàn)，以最大限度地發(fā)揮其效益和影響。

當(dāng)今最大的挑戰(zhàn)之一與 LFAM 甚至更廣泛的增材制造技術(shù)缺乏相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證方法。正如 Caracol 所說：“增材制造硬件需要強(qiáng)大的質(zhì)量控制以及資格和認(rèn)證程序，以確保質(zhì)量和一致性。整個(gè)行業(yè)需要完善標(biāo)準(zhǔn)并達(dá)成一致，以確保航空航天應(yīng)用增材制造組件的可重復(fù)性、可靠性和質(zhì)量�！�

換句話說，LFAM需要認(rèn)證流程，才能使該技術(shù)完全適用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件的生產(chǎn)。建立這些認(rèn)證流程的主要挑戰(zhàn)與幾個(gè)因素有關(guān)，包括缺乏詳細(xì)的表征和增材制造特性數(shù)據(jù)庫。幸運(yùn)的是，ISO 和 ASTM 正在制定和發(fā)展一系列增材制造標(biāo)準(zhǔn)，這將幫助增材制造供應(yīng)商滿足航空航天應(yīng)用的嚴(yán)格要求。例如，Caracol 的 Heron AM 工藝持有 AS/EN 9100 認(rèn)證，保證滿足航空航天應(yīng)用生產(chǎn)的嚴(yán)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

材料表征也是一個(gè)需要解決的重要問題，特別是在 3D 打印復(fù)合材料方面。自 20 世紀(jì) 80 年代以來，傳統(tǒng)制造的復(fù)合材料已經(jīng)改變了民用和商用航空，通常用作金屬材料的更輕質(zhì)替代品。因此，3D 打印復(fù)合材料的能力可以通過減少材料浪費(fèi)并通過優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)一步輕量化部件，為飛機(jī)制造商帶來更多機(jī)會。更不用說能夠更快地生產(chǎn)復(fù)合材料零件并以經(jīng)濟(jì)高效的方式進(jìn)行小批量生產(chǎn)。隨著這方面的進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化和驗(yàn)證，復(fù)合材料的LFAM可能成為一種廣泛且極具優(yōu)勢的航空解決方案。

最終，解決這些挑戰(zhàn)將使 LFAM 平臺在航空航天應(yīng)用越來越可行，并使更廣泛的飛機(jī)原始設(shè)備制造商受益于這項(xiàng)技術(shù)。這些好處包括材料節(jié)約和重量減輕，這意味著更低的燃料消耗；優(yōu)化性能的更復(fù)雜設(shè)計(jì)；零部件整合，簡化了后期生產(chǎn)步驟，如裝配和質(zhì)量保證；更靈活的生產(chǎn)容量；最終縮短交貨時(shí)間并降低生產(chǎn)成本。