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实现速度与精度相结合是未来发展目标
时间:2019-10-31  来源:中国航空新闻网  点击:843

 
美国公司制造的全3D打印喷气无人机
 

 
双机器人连续3D打印机

近年来,复合材料在无人机上的用量屡创新高,然而,复合材料结构传统上需要很长的开发周期,这对于需要快速创新的无人机产业来说不是好事。不过近几年来,一种可以使诸如碳纤维等复合材料零部件开发周期缩短30倍的新技术——连续纤维3D打印技术已经面世并趋于成熟。这项技术正随着3D打印技术的发展而迅速崛起,即可以用于大批量生产复合材料零件,也可以用来制造高度复杂几何形状的零件或者极其精密的零件。连续纤维3D打印技术的成熟,将成为小型复合材料无人机、低成本复合材料无人机结构实现高效批生产的福音。
 
面向大批量生产的连续纤维3D打印技术
 
目前, 空客资本公司投资了Arevo公司的连续纤维3D打印技术, 该公司开发的直接能量沉积(DED) 工艺,可以将热塑性预浸丝束打印成零件。DED工作单元由工业机器人、激光加热打印头和旋转构建平台组成, 与以往的连续纤维增强3D打印相比, 能够将生产速度提高100倍。除了航空零件,Arevo公司的明星产品是与无人机框架结构类似的自行车车架, 连续纤维3D打印技术使其开发周期从18个月缩短到了18天。Arevo公司于2019年2月启动的新工厂拥有8个机器人工作单元,每个机器人单元每天就能够生产一个车架,包括打印车架本身以及后处理(例如钻孔)和完成喷涂前的预打磨。在生产的第一年内,Arevo公司计划将生产速度提高三倍,通过采用并行化的模式,让每个机器人运行多个打印头和/或每个工作单元运行多个机器人。
 
为了在整个提速过程中保持质量和可重复性,Arevo应用了原位检测和机器学习技术,以实时控制过程参数。打印机配有多个传感器(测量高度、压力、变形等),系统软件使用这些传感器的数据根据需要调整工艺参数。这样,当更快地运行机器人时,就可以确保沉积速率、加热、固化和其他参数与基线匹配。
 
轨道复合材料公司也在致力于通过连续纤维增强3D打印工艺进行大规模生产,与Arevo公司的技术一样, 轨道公司的模块化同轴挤出末端执行器、并联机器人和非热压罐工艺的生产速度比以往的连续纤维增强增材制造速度快100倍。挤出喷嘴通过其中心孔供给基体材料,通过周围的环形喷嘴供给纤维,并联机器人通过团队协作加快生产速度。轨道公司的技术开发理念是“材料不可知论”,其技术旨在适应几乎任何复合材料,包括塑料、陶瓷或金属基体,包括热固性塑料、热塑性塑料和碳化硅;干燥、粘合纤维, 从3K到48K丝束;并且能够结合铜或铝线、纳米材料、导电油墨或其他有助于实现多功能结构的选择。
 
今年初,瑞士9T实验室也开始对其CarbonKit进行测试,旨在使现有的3D打印机能够进行连续纤维打印,预计未来每年可生产约30000个零件。CarbonKit系统利用了从开发连续点阵(CLF)工艺中获得的知识。该系统旨在使用工业级廉价材料用作原料,拉挤复合材料棒,然后复合材料棒通过牵引单元进入热可调节的挤出头。该系统的另一个重要特征是能够缩放挤出横截面积,因此可以适应具有小丝束的高分辨率应用,以及具有大丝束的大幅面增材制造。
 
解决复杂或精密结构生产难题
 
美国南卡罗来纳大学McNair航空航天创新与研究中心的研究人员与TIGHITCO碳纤维复合材料公司和英格索机床公司合作,开发了用于高度专业化和要求苛刻产品的连续纤维增强3D打印技术。该技术是一种熔融长丝制造(FFF)方法,上述已开发出了热塑性复合长丝和机器人3D打印系统。系统将由英格索机床公司生产,使用配备有连续纤维沉积末端执行器以及西门子控制系统的工业机器人平台。
 
该团队的研发宗旨就是实现大型复杂零部件打印之后,后期处理工作尽量小。McNair团队认为该技术非常适合三种应用,首先是航空领域中的小批量制造,例如,每架无人机或小型航空器仅需要一个的特定高强度组件;其次是高度复杂的结构,比如加强网格,利用其他制造方法无法产生所需的强度质量比和刚度质量比; 第三是套印,这是一种在打印过程中插入组件并由此完全嵌入打印零件中的技术,可以实现零件整合,比在打印零件中嵌入RFID芯片或小型电子传感器。
 
连续复合材料公司是全球范围内连续纤维增强3D打印的先驱,2012年获得了全球最早的工艺专利——CF3D。CF3D工艺使用快速固化热固性树脂(也适用于热塑性塑料),将增强纤维浸渍在打印头内,并在材料沉积后立即固化复合材料。热固性材料使该工艺能够在自由空间中执行高速打印。不久前,该公司在3D打印领域又取得了多项重要进展,包括更加自动化的工具路径生成;自动化的工具更换,可在同一部件上实现高分辨率单通道和高沉积多通道打印;提高的机器人准确性和精度等。
 
作为连续纤维增强3D打印的先驱,美国Markforged公司用于小批量生产的X7打印机在试产上广受欢迎,不过该公司目前正在改进技术, 未来的3D打印机将能够同时满足小批量生产和批量生产。目前连续纤维3D打印主要面向高价值、低批量的零件,而随着打印机制造商降低打印机制造成本和材料成本,未来目标市场将面向相对大批量、低价值的零件生产。
 
MarkForged公司的连续纤维3D打印系统使用由专门开发的热塑性树脂制成的预浸丝束,它使用两个打印头,一个用于基体树脂,另一个用于预浸丝束。Markforged的一个关键市场是打印传统生产线工装的夹具和组件,与机加工铝制组件相比,3D打印的热塑性产品同样坚固但更轻, 不会像金属组件那样损坏零件,
 
荷兰CEAD集团于2018年11月推出了大型CFAM(连续纤维增材制造)Prime 3D打印机。虽然最初的CFAM Prime用于构建原型产品,但该系统特别有利于小批量生产大型复杂产品,缩短交货时间、终结模具使用,实现高效的制造工艺。CFAMPrime是一款完整的基于西门子数控系统的封闭式打印机,可制造体积为2×4×1.5米的零部件,是欧洲最大的3D打印机。为了制造连续的纤维增强复合材料,CFAMPrime首先使用所需的热塑性树脂预浸渍连续玻璃纤维或碳纤维,然后打印头将连续纤维与熔化的热塑性树脂颗粒结合,其中还可包括一定百分比的短切纤维,这是该打印机的特色。
 
结束语
 
尽管近年来连续纤维增强复合材料的3D打印技术正在快速发展,但是该领域还存在两个主要问题,一个是纤维含量低,且打印层之间的分层可能性较高,另一个是缺乏标准化的商业软件。对于前者,目前该技术并无法与传统复合材料工艺竞争,它只是当前制造方法的补充,提供灵活性和开放式设计以及生产可能性,可能更适合承担简单功能的小型低成本无人机生产。对于后者,因为市场上尚无连续工具路径的软件,目前每个研发团对都在开发专有软件,希望以比传统切片软件更自动化的方式生成工具路径,与大多数软件开发一样,未来将会出现工具路径生成软件的标准。只有解决了上面两个问题,连续纤维3D打印技术才会成为3D打印无人机的新动力,真正开启无人机发展新热潮。

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