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安裝在慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM）碳復(fù)合材料（LCC）中心的先進(jìn)鋪帶+增材制造（ATLAM）打印頭
先進(jìn)鋪帶+增材制造（ATLAM-Advanced Tape Layer Additive Manufacturing）的打印頭最近安裝在慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM，Germany）碳復(fù)合材料中心（LCC）位于德國(guó)陶夫基興 Ludwig-Bölkow 校區(qū)的工廠。ATLAM將連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料帶鋪設(shè)與大尺寸添加劑制造相結(jié)合，由 CEAD（荷蘭代爾夫特）和 GKN Aerospace（英國(guó)索利赫爾）通過(guò)其子公司 GKN 航空航天德國(guó)有限公司（德國(guó)吉?jiǎng)P恩慕尼黑）開(kāi)發(fā)。
ATLAM 工具頭將在研究項(xiàng)目 3DP-MAT 中與合作伙伴 GKN Munich、機(jī)械加工專(zhuān)家 Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH（德國(guó)博賓根）和 TUM 的 LCC 一起用于制造航空航天應(yīng)用的低成本復(fù)合材料工具。通過(guò)在基于擠壓的 3D 打印過(guò)程中集成連續(xù)碳纖維帶，與僅使用短纖維增強(qiáng)打印的工具相比，最終工具實(shí)現(xiàn)了較低的熱膨脹系數(shù)（CTE- thermal expansion）。低 CTE 對(duì)于符合航空航天行業(yè)所需的嚴(yán)格公差至關(guān)重要。在 3DP-MAT 項(xiàng)目中，Hufschmied 正在開(kāi)發(fā)一種模塊化夾具，該夾具將使具有不同形狀的打印零件能夠直接進(jìn)行后處理，達(dá)到其最終公差。ATLAM 技術(shù)的未來(lái)研究將包括結(jié)構(gòu)部件。3DP-MAT 項(xiàng)目由巴伐利亞州經(jīng)濟(jì)事務(wù)、媒體、能源和技術(shù)部資助。
在復(fù)合材料襟翼生產(chǎn)中的 ATLAM
大型增材制造業(yè)在過(guò)去十年中不斷發(fā)展。在硬件和軟件供應(yīng)商、材料專(zhuān)家和最終用戶的幫助下，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多基于龍門(mén)架和機(jī)器人的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)具有各種尺寸和產(chǎn)量的擠出機(jī)，并且技術(shù)已經(jīng)普及。
CEAD 處于這項(xiàng)技術(shù)的前沿，包括基于機(jī)器人的 3D 打印，提供了一系列擠出機(jī)來(lái)滿足各個(gè)行業(yè)客戶的需求。CEAD 擠出機(jī)設(shè)計(jì)為獨(dú)立系統(tǒng)，輸出高達(dá) 84 公斤/小時(shí)，能夠?qū)缀跞魏未笮蜋C(jī)械臂轉(zhuǎn)換為用于大體積部件的打印系統(tǒng)。CEAD 的交鑰匙混合 Flexbot 系統(tǒng)能夠進(jìn)行加法和減法制造，使客戶能夠交付具有所需表面光潔度和公差的完整零件。目前，全球有 100 多個(gè) CEAD 系統(tǒng)在運(yùn)行。
CFRP 襟翼生產(chǎn)中使用的增強(qiáng)件工具示意圖。
GKN 公司專(zhuān)門(mén)為空客系列商用飛機(jī)生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料襟翼。該公司于 2018 年開(kāi)始與 CEAD 合作，探索如何自動(dòng)化制造復(fù)合材料襟翼的加筋（增強(qiáng)件）蒙皮的生產(chǎn)過(guò)程。在 180°C 的熱壓罐固化過(guò)程中，該工藝需要數(shù)百種不同的復(fù)合增強(qiáng)件來(lái)形成襟翼蒙皮內(nèi)側(cè)。增強(qiáng)件是使用昂貴的復(fù)合材料工具生產(chǎn)的，該工具由預(yù)浸材料制成，手動(dòng)放置在由鋁塊加工而成的主工具上，每個(gè)幾何結(jié)構(gòu)獨(dú)特的增強(qiáng)件一個(gè)。這一多階段工藝需要密集的手工勞動(dòng)和多次熱壓罐固化循環(huán)。因此，它的成本很高，交貨期很長(zhǎng)，長(zhǎng)達(dá)數(shù)周，生產(chǎn)金屬主工具還需要額外的 3-6 個(gè)月。
第一步，熱膨脹系數(shù)（CTE- thermal expansion）
3D 打印和機(jī)械加工復(fù)合材料增強(qiáng)工具。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，由CEAD 和 GKN Munich 開(kāi)發(fā)的可用于復(fù)合材料襟翼生產(chǎn)的熱壓罐工具
2019 年，GKN 航空航天公司和 CEAD 首次嘗試用使用 CEAD Flexbot 的 3D 打印版本取代傳統(tǒng)增強(qiáng)件。混合 Flexbot 系統(tǒng)可以將增強(qiáng)件 3D 打印到接近凈形狀，然后在第二個(gè)生產(chǎn)步驟中將打印的蒙皮零件銑削到最終輪廓，以實(shí)現(xiàn)航空航天工具所需的高公差。該工藝消除了使用預(yù)浸料時(shí)所需的主工具和固化周期，以及生產(chǎn)浪費(fèi)。
這第一步成功地實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)件生產(chǎn)的自動(dòng)化和簡(jiǎn)化，使其比傳統(tǒng)工藝更快、更可持續(xù)。
然而，用于大型 3D 打印工具（>1.5m）的短纖維增強(qiáng)熱塑性塑料在暴露于 180°C 的高溫?zé)釅汗扪h(huán)時(shí)具有較大的熱膨脹。具有高熱膨脹系數(shù)（CTE）的工具可能會(huì)導(dǎo)致尺寸變化并影響最終零件的質(zhì)量。通過(guò)工具設(shè)計(jì)也很難進(jìn)行充分的補(bǔ)償。這形成了在航空航天制造過(guò)程中對(duì)大型高溫?zé)釅汗弈＞卟捎?3D 打印的限制，該過(guò)程需要模具和最終零件的高公差。
第一代 ATLAM 打印頭
為了克服這些挑戰(zhàn)并充分利用大規(guī)模 3D 打印的潛力，需要開(kāi)發(fā)一種新的工藝來(lái)降低大型 3D 打印熱壓罐工具的 CTE。CEAD 著手開(kāi)發(fā)一種全新的打印頭，該打印頭結(jié)合了兩種現(xiàn)有的自動(dòng)化處理技術(shù)：自動(dòng)鋪帶和大規(guī)模增材制造顆粒擠出技術(shù)。其結(jié)果是 ATLAM（高級(jí)帶層增材制造），這是一個(gè)單一的打印頭，包含一個(gè)用于熱塑性擠出的噴嘴和一個(gè)用于放置浸漬的連續(xù)纖維帶的相鄰出口，該連續(xù)纖維帶可以定向在不同的方向。這些層通過(guò)紅外（IR）熱源直接融合在一起，紅外熱源在將膠帶和基底層放置在擠出的 3D 打印熱塑性層的頂部之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱。其結(jié)果是兩個(gè)焊接層混合結(jié)構(gòu)作為打印頭前進(jìn)沿其路徑。最后，航空航天級(jí) CTE ATLAM 在零件制造中提供了多功能性，因?yàn)樗试S通過(guò)獨(dú)立控制擠出噴嘴和膠帶出口來(lái)局部調(diào)整材料性能。通過(guò)改變膠帶增強(qiáng)類(lèi)型、寬度和熱塑性基體， ATLAM 增強(qiáng)了印刷過(guò)程的靈活性。膠帶可以用高性能碳纖維、玻璃纖維和金屬纖維加固。打印頭可以處理高達(dá) 400°C 的高溫聚合物，如 PESU、PEI 和 PEEK。這創(chuàng)造了無(wú)盡的組合，可以根據(jù)應(yīng)用調(diào)整和定制材料特性，如 CTE、強(qiáng)度和剛度。ATLAM 中使用的這些聚合物由 Airtech International（美國(guó)加利福尼亞州亨廷頓海灘）提供，作為其 Dahltram 系列高性能增材制造產(chǎn)品的一部分。
ATLAM 將自動(dòng)膠帶鋪設(shè)和大規(guī)模增材制造顆粒擠出結(jié)合到一個(gè)打印頭中
ATLAM 正在 TUM 接受 LCC 的測(cè)試。ATLAM 3D打印工具的 CTE 值顯示，當(dāng)使用編織預(yù)浸料帶時(shí)，在 x方向上降低了 65%，在 y 方向上下降了 70%。這接近于用 CFRP 預(yù)浸料或因瓦制成的傳統(tǒng)工具的 CTE 值。此 外，ATLAM 使用的連續(xù)纖維還提高了機(jī)械強(qiáng)度，減少 了大型印刷零件的材料翹曲。迄今為止的測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)在短纖維增強(qiáng)熱塑性材料中嵌入連續(xù)碳纖維，無(wú)論 是在 x 方向還是 y 方向，3D 打印工具都具有無(wú)與倫比 的低材料 CTE。
降低成本，提高可持續(xù)性
ATLAM 的數(shù)字設(shè)計(jì)和 3D 打印工具可以將增強(qiáng)器等航空航天工具的交付周期縮短 80%。與傳統(tǒng)的因瓦或碳纖維增強(qiáng)塑料工裝工藝相比，ATLAM 將工裝制造速度提高了 500%，并將工裝成本降低了至少 50%。在維修使用過(guò)的工具期間，可以進(jìn)一步節(jié)省成本和時(shí)間。傳統(tǒng)工具在損壞時(shí)需要大量的手動(dòng)工作和時(shí)間來(lái)修復(fù)，這可能會(huì)在幾個(gè)使用周期后發(fā)生。PESU 和 PEI 等熱塑性材料在高溫下非常穩(wěn)定，并在需要修復(fù)之前顯示出增強(qiáng)的耐久性和韌性，可長(zhǎng)期使用。3D 打印工具也可以通過(guò)使用熱塑性焊接更快地修復(fù)。或者，可以在短時(shí)間內(nèi)打印新工具。
CEAD 與 GKN Munich 和 TUM LCC 合作開(kāi)發(fā)了第二代 ATLAM 打印頭（頂部）。該團(tuán)隊(duì)繼續(xù)進(jìn)行打印頭測(cè)試和材料開(kāi)發(fā)，以推進(jìn)復(fù)合材料工具和零件的開(kāi)發(fā)。
由熱固性預(yù)浸料制成的傳統(tǒng)工具需要多次熱壓罐循環(huán)，能耗高。ATLAM 技術(shù)旨在通過(guò)使用原位固結(jié)生產(chǎn)工具和零件來(lái)消除熱壓罐，從而減少能源足跡。通過(guò)使用熱塑性復(fù)合材料，還可以通過(guò)消除熱固性預(yù)浸料所需的冷藏儲(chǔ)存來(lái)節(jié)省能源。此外，傳統(tǒng)的 CFRP預(yù)浸模具制造涉及額外的主疊層工具，這會(huì)產(chǎn)生大量廢料。ATLAM 消除了對(duì)主疊層工具的需求，可以將零件打印到接近凈形狀，這兩種方式都有助于顯著減少浪費(fèi)。傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料不能回收或重復(fù)使用。相比之下，熱塑性 3D 打印工具可以切碎并重新用于新的用途。總的來(lái)說(shuō)，ATLAM 節(jié)省了材料、生產(chǎn)時(shí)間和能源消耗，減少了工具生產(chǎn)和使用的總體環(huán)境足跡。
ATLAM 為當(dāng)前的模具生產(chǎn)流程提供了一種更快、更自動(dòng)化、更具成本效益、更耐用、更靈活的替代方案。它還為生產(chǎn)大型高溫?zé)釅汗薰ぞ叩膫鹘y(tǒng) 3D 打印方法所面臨的挑戰(zhàn)提供了解決方案。因此，ATLAM 在復(fù)合材料行業(yè)的很大一部分中消除了 3D 打印工具的限制。
未來(lái)發(fā)展，零件
ATLAM 還為模具以外的零件開(kāi)辟了可能性，因?yàn)樗軌驅(qū)⑦B續(xù)纖維嵌入擠出的 3D 打印熱塑性材料中。這可能對(duì)最終使用的零件感興趣，因?yàn)樵谶@些零件中，短纖維增強(qiáng)熱塑性塑料單獨(dú)不能提供所需的強(qiáng)度和剛度。隨著 TUM、CEAD 和 GKN Munich 完成進(jìn)一步的 ATLAM 測(cè)試和材料研究，這種新的 3D 打印工藝將繼續(xù)改進(jìn)。CEAD 在 JEC World 2023（4 月 25-27 日，法國(guó)巴黎）5 號(hào)展廳 S41 展位展出。
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注：原文見(jiàn)，《 ATLAM combines composite tape laying,large-scale thermoplastic 3D printing in one printhead 》4/21/2023
楊超凡
（本文經(jīng)譯者同意發(fā)布）