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硅谷AREVO連續(xù)碳纖維復合材料3D打印,將革新碳纖維制造

3D打印新品
2020
06/21
10:05
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南極熊導讀:把3D打印技術改裝升級一下,結合傳統(tǒng)工藝的高端制造領域,可能會有著全新的市場需求。碳纖維復合材料3D打印,就是其中一個方向。全球領先的碳纖維復合材料3D打印廠商AREVO甚至表示,“在碳纖維自行車車架領域,隨著3D打印技術的進步,成本結構將發(fā)生轉變;三年后,中國工廠碳纖維自行車車架的手工制造將被淘汰!”
△碳纖維復合材料3D打印機系統(tǒng)

南極熊了解到,美國硅谷初創(chuàng)公司AREVO最近的發(fā)展勢頭迅猛。2020年6月初,AREVO宣布,他們已經開始建設一個世界上最大的高速連續(xù)碳纖維增強聚合物(continuous carbon fiber reinforced polymer ,即"CFRP")復合材料增材制造工廠,以 制造即服務(manufacturing-as-a-service,MaaS)的模式來運營,規(guī)模化快速生產定制產品。連續(xù)碳纖維增強聚合物復合材料的強度重量比是鋼的60倍以上,可用于專業(yè)級自行車、一級方程式賽車和最新一代戰(zhàn)斗機等產品。

隨著Arevo完成第二代復合材料沉積技術升級,速度是第一代的四倍以上,計劃在一個亞洲城市中部署數百套生產系統(tǒng),具備滿足客戶對大型和幾何復雜的CFRP產品快速制造需求的能力。"這將成為我過去20年里,在3D打印行業(yè)看到的,最雄心勃勃、最有趣、最有前途的應用之一。"Arevo聯合創(chuàng)始人兼董事長Hemant Bheda表示。


3D打印,將革新傳統(tǒng)碳纖維復合材料制造

碳纖維復合材料重量輕、強度重量比高,使其成為某些金屬零件和結構的理想替代品,因為它們可以降低材料成本、提高機械性能。"復合材料已經有25年以上的歷史,但其市場滲透率極低,"Hemant Bheda說。"我們認為,最重要的原因是因為其成本太高,需要手工勞動和多個步驟,以及需要很長的時間才能推向市場,通常是12到18個月。"

即使采用最先進的自動纖維貼裝(AFP)技術,復合材料制造也需要對金屬模具進行精密的數控加工、真空封裝和烘箱固化。這工藝無法應對復雜的設計,必須將幾個部件分開制造,然后手工粘合在一起,從而引入可能的人為錯誤。另外,像飛機機翼這樣的大型部件必須在烘箱中烘很長時間,消耗大量能源,Bheda說。"現在,隨著不同領域創(chuàng)新的融合,特別是計算能力和基于機器人的自動化,是時候對技術進行轉型升級了。"
Arevo公司利用其專利軟件算法、碳纖維材料和機器人3D打印技術,實現復合材料部件生產的制造即服務。

Bheda稱:"我們的系統(tǒng)完全省去了手工勞動和烘箱固化的步驟,通過我們的軟件和全自動機器人3D打印機,我們可以快速制造碳纖維制品。"

連續(xù)纖維

碳纖維復合材料是由薄薄的、非常結實的碳晶絲組成的,這些碳晶絲被混在聚合物基質中;基質將纖維固定在一起,形成堅固的結構。具有很高的剛度和拉伸強度,重量輕,并具有很高的耐化學性和耐溫性。
△連續(xù)纖維3D打印機噴頭

目前,其他復合材料3D打印機,可以把由幾微米長的切碎纖維組成的長絲,嵌入熱固性塑料長絲中,實現3D打印零件。但能做出的尺寸是有限的。而Arevo的系統(tǒng)可以打印更大的物體,達到1立方米。

Arevo系統(tǒng)使用的長絲材料是由PEEK基體制成的,里面嵌入了航空級的連續(xù)碳纖維。

PEEK是一種常見的可回收塑料材料,提供比其他熱固性材料更好的機械性能。Arevo的材料直徑為1.2毫米,包含12000束平行的連續(xù)碳纖維,每條纖維的直徑為5至6微米。

在纖維長軸方向上,連續(xù)纖維使其性能比切碎纖維,有一個數量級的提升。強度是鈦的五倍,而重量只有鈦的三分之一。


設計、打印、生產

除了向客戶銷售制造的零件,Arevo還賣3D打印機。2020年2月,他們在日本賣出了第一套系統(tǒng),安裝在位于東京的AGC公司,到2020年第一季度末,全球至少有4個制造工廠安裝了這樣的系統(tǒng),開始制造零件,并計劃到年底在全球擁有10個客戶。

"通過我們云端軟件,成千上萬的設計師現在可以訪問它來創(chuàng)建以前從未實現過的零件,"Bheda說。"而且通過全球打印機網絡,他們可以按需打印他們的設計。"

△3D打印的碳纖維網球拍,強度非常高

其網絡軟件為制造復合材料提供了一個端到端的解決方案,從一個3D模型開始,軟件會進行分析,并為纖維生成一個最佳的幾何排列。"

連續(xù)碳纖維復合材料通常表現出各向異性,這意味著一些性能會根據它們沿幾何平面/軸的部位而變化,控制纖維的幾何排列結合零件需求的載荷,是非常重要的。

此外,軟件還可以通過去除材料和推薦最有效的設計來協(xié)助設計過程,以滿足零件可能遇到的實際操作條件。接著,它會計算出所需的復合材料數量,并生成使用Arevo的3D打印技術制造零件的指令。

系統(tǒng)還收集零件在制造過程中的數據,創(chuàng)建一個數字雙胞胎,精確體現零件的打印狀態(tài)。這些數據可以用于質量保證,為檢測和分析提供強大的助力。

激光DED

除了在軟件和材料方面的突破,Arevo還開發(fā)了一種基于激光DED(即直接能量沉積)的專利3D打印工藝。

△Arevo的核心技術:DED工藝。激光束熔化剛加上去的聚合物細絲和上一層沉積打印的材料,形成液-液界面。同時,使用一個滾軸施加壓力,將層與層之間的空隙率降低到小于1%,達到消除分層橫截面的目的。其實這思路和中國武漢華中科技大學張海鷗教授的“微鑄鍛”金屬3D打印技術類似,但后者使用的金屬材料,而不是高分子聚合物



△在打印過程中,多軸自動機械臂和平臺可自由移動,實現三個以上的自由度沉積材料。通常的增材制造技術,包括堆疊2D平面材質層,來構建3D對象

DED工藝使用激光源來熔化聚合物長絲,同時也熔化之前沉積的材料,以創(chuàng)建一個液體到液體的界面,實現原位鞏固( in-situ consolidation);同時,它還施加了一個壓力,將空隙率降低到1%以下,消除了層,使截面看起來更均勻。"

這種復合3D打印工藝,實現高性能,可以初級航空航天結構上使用。


3D打印碳纖維自行車

△全球首款3D打印的碳纖維電動自行車Emery One。Arevo與高端自行車制造商Franco Bicycles合作開發(fā)一款新的電動自行車

傳統(tǒng)的復合材料自行車車架,需要18個月的時間來設計和投入生產;但連續(xù)纖維3D打印技術可以將時間縮減到幾周。車架制造商通過打樣試錯,建立超過20次的設計迭代。當他們確定一個設計時,就手工制造一個原型車,騎上去,然后改變設計;如此重復。然后,安排工廠來制造自行車,通常是在中國。經南極熊3D打印網查詢得知,高端自行車車架廠商,基本上都是在中國生產。
△左:自行車車架必須在幾個點上支撐重量。中:自行車零件之間的間隙通常非常緊密。右:3D打印碳纖維的整體重量很輕

工廠制造的復合材料車架是由27到30個不同的零件手工制作而成,最后粘合在一起。而Arevo的系統(tǒng),所有的設計工作,包括分析和優(yōu)化,都可以通過軟件來完成的,大大降低研發(fā)成本;同時3D打印一個整體單一部件,連續(xù)纖維智能放置在車架內,提供前所未有的結構完整性和穩(wěn)定性。

△視頻:碳連續(xù)纖維3D打印自行車車架的技術

"如今,在生產的200萬個復合自行車車架中,99%都是中國制造的。"Arevo聯合創(chuàng)始人兼董事長Bheda說。"我們相信,隨著技術的進步,成本結構將發(fā)生轉變,三年后,手工制造自行車車架將被顛覆,被淘汰。"

Arevo還在研究其他一些應用,包括自行車和滑板車的車輪。用于運輸包裹的商用無人機制造商對復合材料的輕量化很感興趣,還有網球拍和溜冰鞋(用于連接金屬葉片和靴子的結構)在內的運動設備制造商。

航空航天、建筑和汽車領域等其他戰(zhàn)略應用也在開發(fā)中。AREVO連續(xù)碳纖維復合材料3D打印白皮書下載鏈接:https://pan.baidu.com/s/1sfzWJEVFp8bSHOtqlbU2ag 提取碼:i47l



中國的連續(xù)碳纖維3D打印

據南極熊了解,中國連續(xù)碳纖維3D打印方面的創(chuàng)業(yè)團隊非常少,但也有一些研究相關技術的大學和研究所團隊,感興趣可留言。




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2022-4-26 17:43:39 | 只看該作者
連續(xù)碳纖維打印
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