本田公司妙用紙張3D打印技術(shù)制造碳纖維復(fù)合零部件

汽車工業(yè)的快速發(fā)展，給人們帶來交通便利的同時也面臨著環(huán)境污染和能源緊缺等問題，這些問題使汽車的節(jié)能減排工作迫在眉睫。南極熊之前報道了一篇，3d打印可以降低石油等不可再生能源的消耗，當(dāng)然汽車輕量化是節(jié)能減排的手段之一，而實現(xiàn)汽車輕量化主要有兩種途徑，一種是對汽車零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，另一種則是通過輕質(zhì)高強(qiáng)度的材料替代傳統(tǒng)材料，碳纖維復(fù)合材料就是一種高強(qiáng)度的輕量化材料，近年來在汽車應(yīng)用中得到了快速發(fā)展。

傳統(tǒng)的碳纖維鋪設(shè)方法對人工的依賴度較高，并且成本高，3D打印技術(shù)可以以一種自動化的方式制造復(fù)雜的幾何形狀和短期需求的碳纖維零部件。目前可以打印碳纖維復(fù)合材料3D打印的廠商在全球范圍內(nèi)來看包括Markforged、Orbital Composites、Arevo Labs、Impossible Object等直接進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料3D打印的企業(yè)。除了這些直接進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料3D打印的技術(shù)，有的3D打印技術(shù)可以用于制造碳纖維復(fù)合材料的模具，與成型工藝結(jié)合在一起快速制造碳纖維復(fù)合零部件，本田集團(tuán)正是使用后者進(jìn)行碳纖維復(fù)合零部件的快速制造。

紙張也變得“堅韌”
本田集團(tuán)使用的3D打印技術(shù)是愛爾蘭Mcor Technologies公司的McorARKe 3D打印機(jī)，該設(shè)備采用選擇性地沉積（SDL）紙張3D打印技術(shù)，我們首先來簡單的了解一下McorARKe 3D打印機(jī)的工作流程：

圖片來源： Mcor Technologies

-對3D模型進(jìn)行切片
-紙張被送入打印室之后，粘結(jié)劑將按照3D模型的形狀沉積下來
-打印機(jī)加載新的紙張，打印機(jī)中的加熱板對紙張施加壓力，促進(jìn)粘合劑將兩層紙張粘合在一起
-硬質(zhì)合金刀片對紙張進(jìn)行裁切
-重復(fù)以上步驟，直到3D模型的每一層都完成打印

圖片來源： Mcor Technologies

通過Mcor Technologies 研發(fā)的彩色墨水，McorARKe 3D打印機(jī)還可以實現(xiàn)彩色3D打印功能。由于打印材料是普通的辦公用紙和環(huán)保的粘合劑，打印成本低，打印出的模型細(xì)節(jié)精良，McorARKe 3D打印機(jī)已被汽車制造用戶用于產(chǎn)品的設(shè)計驗證和快速原型。不過本田通過McorARKe 3D打印機(jī)制造碳纖維復(fù)合零部件的模具，讓這種紙張3D打印技術(shù)的應(yīng)用超越了原型，走向產(chǎn)品的快速制造領(lǐng)域。

通常進(jìn)行碳纖維復(fù)合零部件制造的方法是，首先使用數(shù)控機(jī)床切削出零件的金屬模具，將碳纖維材料坯料被鋪疊在附有脫模劑的模具表面，然后經(jīng)過多孔防粘布(膜)、吸膠氈、透氣氈覆蓋等處理步驟之后放在熱壓罐內(nèi)，在一定溫度和壓力下完成固化過程。

金屬模具的制造周期較長，成本較高�；�于這一點，本田開始借助SDL 紙張3D打印技術(shù)這種成本低、生產(chǎn)周期短的技術(shù)制造碳纖維復(fù)合零部件的模具。那么，這些由柔軟的紙張制造的模具是否能夠經(jīng)受住后續(xù)碳纖維復(fù)合材料成型工藝的考驗?zāi)兀?br />

圖片來源： Mcor Technologies

本田與Mcor Technologies公司進(jìn)行了一年的探索，結(jié)果表明打印紙張在經(jīng)過逐層粘合和壓縮之后變得非常堅固，與單張紙張具有完全不同的力學(xué)屬性，同時由于紙張屬于非晶體材料，不會像塑料那樣預(yù)高溫后發(fā)生熔化，所以紙張3D打印的模具可以長時間處于高溫和壓力環(huán)境下而不發(fā)生變形。在探索實踐中，紙張3D打印模具在碳纖維材料成型工藝中所處的環(huán)境是135°C 高溫和50萬帕壓力。

由于打印機(jī)的硬質(zhì)合金刀片在打印過程中對每一層的打印形狀進(jìn)行了精確的切割，紙張3D打印模具具有高尺寸精度，這也將為最終的碳纖維零部件帶來較高的尺寸精度。為方便成型后的零部件進(jìn)行脫模，可以在紙張3D打印模具的表面涂覆脫模劑量。由于紙張模具在這些工藝中發(fā)生的改變較小，如有必要的話模具可被重復(fù)利用。

來源：3d科學(xué)谷
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