9T Labs和普渡大學應用了增材融合技術，設計了一種由壓縮成型的連續和不連續CFRTP制成的具有性能和成本競爭力的飛機艙銷支架。

 

混合制造技術。9T Labs開發了一種混合制造技術，使用其增材融合技術（AFT），將連續纖維預成型件定位在零件的高應力區域，而不連續纖維則較少依賴連續纖維的強度特性。

碳纖維增強熱塑性復合材料（CFRTP）具有卓越的強度重量比，這使其在許多行業的結構應用中具有吸引力。然而，纖維長度對于利用碳纖維的強度特性至關重要，制造復雜性隨著纖維長度的保持而增加。

連續纖維具有卓越的機械性能。設計師還可以根據零件在使用中的負載方向和條件對其進行優化。同時，不連續纖維提供了制造靈活性，但由于材料基本上是均勻的，因此在強度和負載優化方面存在損失。

片狀或塊狀模塑料（BMC）形式的長、不連續纖維的壓縮成型等技術為制造相對復雜的形狀提供了連續和短纖維系統之間的中間解決方案。然而，這些技術的纖維長度和性能的高度變化限制了零件的再現性。

為了利用連續和不連續纖維的優點，需要一種混合解決方案，將連續纖維定位在需要的地方，將不連續纖維定位到對連續纖維強度特性依賴較小的地方。9T Labs（瑞士蘇黎世）是一家專門從事增材制造（AM）技術的公司，與普渡大學（美國印第安納州西拉斐特）一起，最近開發了一種使用增材融合技術（AFT-Additive Fusion Technology）的混合制造技術。

9T Labs業務開發總監雅尼克·威廉明（Yannick Willemin）解釋說：“AFT是一種集成的復合材料制造軟件和硬件解決方案，可以大規模自動化制造復雜的結構復合材料零件。”。“AFT支持熱塑性復合材料零件的復雜制造，包括連續纖維預成型件的增材制造及其使用不連續纖維增強熱塑性板系統的包覆成型。它具有成本競爭力的結構和復合材料制造的可持續性，有助于推動零件制造商可以成功實施的創新。”

 

銷支架零件。

銷支架零件。單向（UD）碳纖維增強聚合物預成型件支撐銷釘支架的耳部和底部，如圖所示，而長而不連續的碳纖維增強塑料用于支撐模具中的預成型件，使零件表現為一個完整的整體

最近，普渡大學和9T實驗室使用AFT為飛機頂箱制造了一個銷釘支架。連續纖維預制件由碳纖維增強聚醚酮（PEKK）以60%的纖維體積3D打印而成，用于支架的高負載情況區域，而纖維片則以60%的纖維體積不連續碳纖維增強PEKK應用于其他地方。9T Labs設計了連續纖維AM預成型件，考慮了壓縮成型過程中連續和不連續纖維的并發流動，以實現最終零件所需的細觀結構。

普渡大學增材制造復合材料制造與仿真中心助理主任愛德華多·巴羅西奧（Eduardo Barocio）說：“我們開始這個項目的目標是在如何使用材料以及在哪里使用材料方面提高效率。”。“這種使用AM預成型件并將其嵌入壓縮成型復合材料結構中的混合材料解決方案是以前從未在該項目中實現的顆粒規模上完成過的。AM解決了許多有趣的問題，但目前仍存在局限性。將其與壓縮成型等更成熟、特征更明確的制造技術相結合具有巨大的優勢，將最終的零件提升到了新的水平。”

 

銷支架CAD。銷釘支架幾何形狀用于演示混合連續和不連續纖維的壓縮成型。

混合動力系統設計

最初，9T實驗室開發了支架的仿真模型，以指定其操作參數，包括支架幾何形狀和提供研究設計范圍的功能要求。負載情況為拓撲優化研究提供了信息，以確定AM連續纖維增強PEKK預成型件的位置和規格。

預成型件將使用單向（UD）膠帶通過高架龍門式AM機器添加到構建板上。巴羅西奧說：“預成型件的疊層過程被模擬并優化為成本模型，確保該項目產生的產品在完成后可以推向市場，而不僅僅是一項昂貴的原型設計任務。”

 

尺寸圖。（A） 客艙行李箱銷支架和（b）連續AM復合預制件的俯視圖和側視圖。

他繼續說道：“零件內的連續纖維由熱塑性基質（預浸料）固定在適當的位置，該基質包圍并支撐纖維，確保纖維保持正確的方向和位置，從而形成堅固耐用的復合材料零件。”。“由于PEKK在之前的研究中的性能，我們將其確定為首選的熱塑性塑料。9T實驗室之前已經以膠帶形式使用它來生產直升機支架，該支架使用碳纖維增強的PEKK，其預切相當于1-2K的絲束。”

 

無尺寸零件。將多種纖維架構組合成單個模制部件的混合方法。

9T Labs為銷釘支架設計了兩個增材制造的連續纖維預成型件，一個用于加固底座，另一個用于加強兩個垂直法蘭或“耳朵”。使用9T Labs的纖維化設計套件（FDS- Fibrify Design Suite），該團隊確定了纖維疊層并生成了預成型件的代碼。設計套件規定了所需數量的具有相同PEKK基質材料的連續纖維狹縫帶和短纖維長絲，以及為構建模塊創建的代碼說明。

 

理想化的重塑。通過壓縮成型工藝對理想的連續纖維預制棒進行整形。

威廉明解釋說：“構建模塊是一種開放式材料、高溫工業AM機器，它使用UD預浸帶制造零件，并在加熱室內使用基于龍門架的頭逐層放置材料。”。“1毫米寬狹縫UD預浸料熱塑性膠帶和全向轉向的使用是構建模塊獨有的，加熱材料沉積確保了連續一致的操作。這些特性在以下熔融過程中也得到了保證。沉積系統的無限旋轉允許連續纖維束沿所需軌跡定位。底座的有意旋轉確保了更好的纖維控制，并通過有意摩擦提高了角落區域的打印質量。”

9T Labs設計了預成型件，通過連續和不連續纖維之間的并發流動來加強耳朵，使其符合耳朵的輪廓，并支撐耳朵和支架底座之間的交叉點。底座預成型件的設計使負載能夠部分流入耳朵，提供了一個3D連續的纖維路徑，將底座的安裝面與耳朵的安裝面連接起來。

 

構建模塊和融合模塊。9T Labs紅色系列構建和融合模塊用于生產混合CF/PEKK引腳支架。

每個預成型件由12層1毫米寬的UD碳纖維增強PEKK熱塑性膠帶制成，并在0.2毫米層的單平面構建方向上構建。這種單層連續纖維螺旋環最大限度地提高了強度，并最大限度地縮短了制造時間。

噴嘴溫度為390°C，床溫為180°C，構建時間快，在單個350×270毫米的可拆卸構建板上生產多個批次。每個預成型件的纖維刀具路徑產生三個輪廓，最終壁厚為3毫米。基礎預成型件包含12米長的1毫米寬的膠帶，不需要后處理，可以直接放入模具中。耳朵預成型件在預定位置包含8米長的1毫米寬的膠帶切割后處理。連續纖維預制件占總零件體積的17%。

 

工程預制件。法蘭（a）和耳（b）的工程連續纖維預制件

AM增強壓縮成型

AM后，預成型零件被運送到聚變模塊。Fusion Module是一種壓縮成型機，可將預成型件固結并根據需要對其進行整形，以便在最終零件中固結。

 

成型工具。用于制造銷釘支架的壓縮成型工具。

巴羅西奧解釋說：“壓縮成型是復雜的，涉及多種各向異性現象，包括流動特性、熱彈性和結晶收縮、粘彈性、傳熱以及聚合物結晶和熔融動力學。”。“添加連續纖維增強預成型件為制造具有復雜幾何形狀的結構優化壓縮成型零件提供了機會。然而，根據材料、機器和工藝參數，實現所需的機械性能帶來了挑戰。預成型件的初始取向、不連續纖維片和制造過程中的各向異性流動有助于最終零件的結構。”

壓縮成型工具由H13鋼制成，具有插入件，用于模制銷釘的孔和支架底部的孔。熱電偶在制造過程中很好地記錄了溫度。銷支架的制造始于將預成型件安裝到壓縮成型工具中，預成型件將加強銷支架耳。接下來，安裝三個工具塊，并將基座預成型件放置在工具腔中。

 

銷支架制造。制造銷釘支架的步驟包括（從左到右）放置用于耳部加固的連續纖維預成型件（a），將預成型件放置在銷釘支架的底部（b），以及在安裝預成型件后填充血小板的工具腔（c）。

銷釘用于定位銷釘支架底部的安裝孔，并在制造過程中限制連續光纖預成型件的移動。預成型件在銷釘預成型周圍進行整形，以隔離它們在最終零件中的位置。預成型件的這種整形通過將連續纖維與銷釘傳遞到支架中的施加載荷對齊來提高承載能力。

巴羅西奧強調：“隨著壓縮成型工藝的發展，法蘭中的銷釘用于錨定連續的纖維性能，從而為底座和耳朵之間的載荷傳遞產生連續的纖維路徑。”。“盡管我們在單個平面上添加了連續纖維預成型件的制造，但我們通過將它們放置在模具中的不同平面上，并通過預成型件材料流入模具驅動的整形，在銷釘支架內實現了3D承載能力。這意味著該零件以盡可能少的浪費最大限度地利用了預成型件，因為它們被精確地定位在結構中所需的位置。”

碳纖維增強PEKK用于片狀增強聚合物元件，消除了對材料參數的要求，以適應完全固結的兼容性。在準備壓縮成型裝料后，安裝工具的柱塞，并在強制對流爐中將工具組件加熱到390°C的加工溫度。

 

設置和應變。用連續纖維加固的銷支架（b）在最終失效前后對銷支架（a）和載荷方向應變場進行機械測試的設置。

達到加工溫度后，工具組件轉移到熱壓機，使成型料流入并固結到工具腔中。當工具冷卻到低于聚合物的玻璃化轉變溫度時，施加124巴的壓力。熱壓壓板被預熱到220°C，以降低冷卻速度，并允許聚合物結晶度的發展。脫模溫度為150°C。

巴羅西奧指出：“連續碳纖維增強PEKK銷釘支架的設計不僅考慮了零件的結構性能，還考慮了壓縮成型過程中形成的流動條件。”。“當我們進入固結階段時，它將預成型件的最終形狀和性能特性結合在一起，就像它在最終產品中的表現一樣。”

銷釘支架增強件

最終的AM銷釘支架重31.5克，預成型件占總重量的17%（5.4克），其余83%（26.6克）的總部件體積為短的不連續壓縮成型纖維片。9T Labs制造了六個碳纖維增強PEKK銷釘支架，其中包括連續纖維預制件和薄片，以及僅用薄片制造的銷釘支架，用于比較測試。配備100千牛頓稱重傳感器的MTS 810用于進行準靜態測試。一個定制的夾具用四個10-32螺釘將銷釘支架拉緊，扭矩為40.67牛頓米。以2毫米/分鐘的速度進行位移控制程序，直到支架達到最終失效。數字圖像相關（DIC-Digital image correlation）用于記錄加載過程中銷支架耳表面產生的應變場。

 

荷載-位移曲線。載荷-位移曲線顯示了用連續纖維預成型件和片狀物制成的銷支架（a）與僅用片狀物制造的銷支架相比（b）。

該公司觀察到，在用AM預成型增強（混合）材料系統模制的支架中，線彈性區域更為顯著。混合材料在損傷開始時的載荷為15.67千牛頓，比僅含薄片材料增加了99.6%，后者達到了7.67千牛頓。在承載能力單調下降之前，施加在支架上的最大載荷也增加了25%，從僅使用片狀材料的14.72千牛頓增加到使用混合材料構造的支架的18.38千牛頓。

使用混合材料時，破壞開始時的載荷方差系數從18.19%降低到9.81%，降低了46%。在最終失效時，混合材料的載荷方差系數提高了14.8%，僅薄片版本的載荷方差比6.01%提高了7.05%。

巴羅西奧強調：“很明顯，混合復合材料顯著提高了僅由片狀材料制成的銷支架的機械性能。”。“連續纖維預制件改善了耳和銷支架幾何形狀底部之間的載荷傳遞，以及纖維的流動和形狀/位置，將它們從平面配置轉變為3D纖維架構。”

他繼續說道：“連續纖維的整形——由壓縮成型過程中連續和不連續纖維系統的并發流動驅動——按需進行，增強了銷支架的強度特性，但也降低了其可變性。”。“這些改進對這類材料的允許設計和實施產生了積極的影響。”

 

銷支架透視圖。銷支架的混合材料版本在各個方面都優于純薄片版本，包括損傷開始時的載荷提高了99.6%，承載能力提高了25%，失效開始時的荷載方差系數降低了46%。

9T Labs和普渡大學在該項目中生產的混合材料和工藝技術為優化纖維增強熱塑性塑料在具有復雜幾何形狀的結構部件中的使用提供了巨大的潛力。然而，巴羅西奧說，“需要基于物理的過程模擬，包括連續和不連續纖維的并發流動等現象。同樣，進一步理解和優化連續和不間斷纖維系統之間的界面將有利于這項技術。最后，預測性模擬框架對于同時進行制造和性能設計至關重要，從而釋放這項技術的全部潛力。”