荷蘭開發(fā)連續(xù)纖維復合材料3D打印技術

作者： 劉亞威  航空工業(yè)發(fā)展中心

南極熊導讀——對于追求大批量生產以及小批量復雜、精密產品制造的應用來說，連續(xù)纖維復合材料3D打印技術都可帶來光明的前景，這也是為什么近年來，大學研究機構、大型制造企業(yè)、小型初創(chuàng)企業(yè)以及成熟的復合材料公司都在不斷推出新的技術和產品，以實現連續(xù)纖維復合材料3D打印，空客資本公司也投資其中。本文介紹的荷蘭技術就值得一看，它可以在一個打印過程中同時使連續(xù)增材纖維、短切增材纖維以及未增強的聚合物顆粒，擁有完全自動化的制造工藝以及先進的溫度監(jiān)測系統。

復合材料世界雜志5月刊文稱，連續(xù)纖維增強復合材料的3D打印正不斷擴展和發(fā)展。自Markforged公司于2014年宣布推出Mark One連續(xù)纖維3D打印機以來，已經出現了許多新的公司和開發(fā)項目。荷蘭CEAD公司就開發(fā)了自己的連續(xù)纖維復合材料3D打印技術。

一、在一次打印中使用和不使用連續(xù)纖維進行打印
CEAD由Lucas Janssen與Logtenberg一起創(chuàng)立。Logtenberg表示：“我們?yōu)檫@個行業(yè)制作了許多不同的3D打印機，我正在調查市場，并感覺缺少適合真正工業(yè)應用的大規(guī)模材料打印。與單獨使用熱塑性塑料相比，你需要更多的強度。因此，我們開發(fā)了自己的專利技術?！?br />
“我們仍然需要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）技術能夠使用連續(xù)纖維進行打印，并在同一過程中直接擠出未增強或短纖維增強的顆粒?！拔覀儾恍枰鼡Q打印頭，我們將連續(xù)纖維放在熔體中間，因此兩者同時擠出。但他們使用不同的驅動系統。連續(xù)纖維被推過打印頭但預先浸漬以確保質量?！?br />
Logtenberg表示，注塑和包塑復合材料以及壓塑直接長纖維熱塑性（DLFT）復合材料已經成為標準，直接擠出顆粒/粒狀材料對工業(yè)生產來說更便宜。“這些材料必須在預打印前進行干燥，我們開發(fā)了自己的干燥機，它與CFAM機床相連?！?br />
與包塑成型的熱塑性復合材料類似，對于每次打印，在預浸漬的連續(xù)長絲和未增強的或短纖維增強的直接擠出材料中使用相同的聚合物。該公司已經加工了多種聚合物，包括ABS、PC、PEEK、PET、PLA和PP。他們正在探索PEKK和低熔點PAEK。

二、加熱區(qū)和龍門架與機器人
目前，CEAD提供具有四個加熱區(qū)的機器人擠出機，以及基于龍門的CFAM Prime機器，在擠出機中具有4×2×1.5米的構建體積和10個加熱區(qū)?！拔覀冊?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。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。顆粒被轉移到桶中，在那里熔化，然后壓縮并推動它們。如果加熱太快，擠出機中不會產生壓力?！?br />
為什么單獨出售擠出機/打印頭？Logtenberg表示：“客戶還想要一個較小的機械臂擠出機來制造自己的機床，但不使用連續(xù)纖維，只需直接擠出?！蹦菫槭裁匆肅FAM Prime的龍門架呢？是因為精度和速度?！皺C器人確實擅長提供相對精度，但是他們從A點到達B點的方式是不準確的。通過3D打印，你必須持續(xù)精確地移動，以創(chuàng)建高質量的成品件。”

“另一個問題是速度，”他繼續(xù)道?！拔覀兿ＭI(yè)生產的產量高，而且分辨率高。使用我們的擠出機的機械臂可以以4米/分鐘的速度移動，這對于機器人來說非?？?，但是龍門機可以以60米/分鐘的速度移動。

龍門架提供了速度，不過機械臂上的擠出機仍然提供多軸打印?！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，但現在西門子推出了一種新的控制系統，可在機械臂上提供相同的控制。所以我們正在開發(fā)5軸機床，龍門架系統仍然更快，但這個新系統提供真正的多軸鋪放?！惫驹O想結合兩個系統，開發(fā)類似于5軸數控銑床配置的機床。

三、冷卻和控制
3D打印中的一個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承認該系統在打印復雜形狀時會產生不均勻的加熱?！拔覀內匀皇褂梅忾]的打印艙，現在正在開發(fā)一種加熱的打印床。這將提供更均勻的熱量，我們仍將使用熱感攝像頭監(jiān)測和管理系統。如果兩次打印相同的部件相隔六個月，打印艙內的溫度曲線和條件也將相同?！?br />
Logtenberg指出，CFAM Prime擠出的材料非常多，其中含有大量能量?！耙虼?，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在打印時保持穩(wěn)定?！边@種冷卻是如何實現的？“使用強制通風，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诶鋮s層之上鋪放熱層。但是最好將材料保持在其Tg以上，對于某些材料來說超過150°C，因為它在上面打印時是穩(wěn)定的?！奔词共捎眠@種工藝，Logtenberg也注意到零件中總會存在一些熱應力?！澳憧梢宰鲆恍┖筇幚聿襟E來消除部分應力?！?br />
CEAD使用西門子系統來控制其機床。Logtenberg解釋道：“它們能夠應對工藝和材料方面的復雜挑戰(zhàn)?！?CEAD在西門子系統下編寫了自己的軟件，以提供簡單的用戶界面。他指出，“機器采用G代碼運行，這也是工業(yè)銑床使用的標準，這為零件編程提供了自由。它可以使用開源切片機，也可以使用西門子NX，這是一款功能強大的軟件工具?！?br />
Logtenberg說客戶可以選擇他/她想要的復雜程度?！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化的打印，只需按一下按鈕即可，但也可以使用更高級的軟件。不過，客戶必須具備如何使用它的知識。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?！盠ogtenberg指出，CEAD正在向企業(yè)銷售，而不是向消費者銷售。（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，但我們還沒有測試過性能?！边@是下一個任務，現在機床開發(fā)和初始啟動已經完成。“今年我們將致力于對材料進行全面表征，并為每種材料組合制作具有抗壓強度、剛度等的數據表。”

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：“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)纖維只會增加10％，因為總產量和體積都很大?！?br />
壓實減少孔隙含量怎么樣？“噴嘴本身會壓縮打印層。你必須擁有正確的層高與寬度。如果你控制得力，你會在各層之間獲得良好的附著力?！八忉屨f，高度與寬度的比例應該在正確的范圍內，以允許在打印層中的壓縮力和足夠的熱量，以在層中實現良好的熔融。“例如，在5毫米高，5毫米寬的打印層中，幾乎沒有壓縮力。對于5毫米高的層，你需要10毫米的寬度?！?br />
Logtenberg表示，CEAD不斷改進CFAM Prime的打印質量?！拔覀円呀涢_發(fā)了許多用于動態(tài)打印的內部軟件。由于擠出機推出材料而機床必須減速以轉向，所以還存在一些問題?！拔覀儸F在已經解決了這個問題。我們繼續(xù)使用傳感器、動力學和層溫來開發(fā)跟蹤措施，以改善過程控制?！?br />

五、未來的愿景
傳統復合材料行業(yè)中的許多人質疑，3D打印的連續(xù)纖維復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，如何與傳統復合材料競爭。Logtenberg對此表示贊同?！爱斎?，z方向強度是3D打印復合材料最具挑戰(zhàn)性的因素之一。我們目前沒有與傳統復合材料競爭。我們相信，未來我們將能夠與傳統復合材料競爭，因為我們的生產完全自動化，但我們還有很長的路要走。目前，它是當前制造方法的補充，提供了靈活性和開放式設計以及生產可能性。”