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hnologies的層間界面重熔技術可增強復合打印部件、夾層結構及復雜框架，從而提供更優的設計靈活性與結構完整性。
DEMEX模塊安裝在慕尼黑武裝部隊大學輕量化工程研究所的CEAD機器人擠出機上，積極打印熱塑性零件，并利用LED輔助接口加熱
大型增材制造(LFAM-Large-formatadditivemanufacturing)最近在復合材料模具、結構原型和夾具生產領域獲得了真正的商業立足點。能夠在數十小時內沉積大型熱塑性結構，無需大量模具投資，且具備幾乎完全的幾何自由度，這一誘人性命題讓航空航天、能源和海事制造商難以忽視。然而，該技術受限于層間鍵強度，行業一直難以解決這一問題。
這一限制背后的機制已成為許多增材工程師的死敵，盡管它是制造技術的一部分。擠出式AM沉積熔融材料，一顆顆地沉積，層層疊加。為了讓部件保持形狀，每一層沉積物必須足夠快冷卻并凝固，以承受上方所有物體的重量。但一顆珠子與另一顆珠子的層鍵結合是一種熱驅動的分子擴散過程。聚合物鏈需要熱量和時間才能穿越界面并物理糾纏。同樣的快速冷卻讓零件保持站立，阻止了這些鏈條完成遷移。
結果是材料在X軸和Y軸的擠出方向機械上較強，但在Z軸上，通過這些界面則明顯較弱。在高性能半晶熱塑性塑料和碳纖維增強復合材料中，由于結晶動力學要求特別高，這種各向異性可能嚴重到使LFAM完全無法被納入結構最終用途考慮。
粘結質量對成本和規模的影響
直到最近，行業對這一問題的應對一直集中在材料而非工藝上。特殊AM級聚合物被配方設計為減緩結晶，延長鍵合窗口，并給予聚合物鏈在每個界面間擴散的時間。這在一定程度上有效，但代價相當大。
在工業規模應用中，AM級熱塑性塑料的售價可達每公斤8歐元，而同等標準注塑品級別最低可達0.50歐元。除了成本外，即使是特殊材料也使操作員受限于層次時間策略，基本上根據幾何體冷卻時間限制打印速度。
對于層長的大型零件，基材在噴嘴完成完整回路并返回之前，可能會遠低于最佳粘結溫度。隨著部件變大，問題加劇。例如，每層周長5米的飛機結構模具，冷卻間隔本質上比小支架長，這意味著最能受益于LFAM規模能力的應用卻因熱量限制而受限。
這正是LEAMTechnologiesGmbH（德國慕尼黑）—慕尼黑工業大學(TUM)碳復合材料教席的衍生機構——旨在填補這一空白。該公司由帕特里克·康蘇爾（PatrickConsul）、本諾·博克爾（BennoBoeckl）和王婷（TingWang）于2023年創立，直接基于LFAM熱塑性塑料加工的博士研究，其論點是層鍵合問題本質上是一個熱控制問題。如果能準確管理沉積時刻和位置的熱環境，則鍵結質量與尺寸穩定性之間的權衡可以被解耦，而不僅僅是管理。
光作為過程變量
從下方看的打印頭顯示了聚焦LED發射器環和圍
LEAMTechnologies開發的解決方案稱為定向能材料擠出(DEMEX-directedenergymaterialextrusion)，是一個附加模塊，安裝在現有大型擠出機噴嘴附近，隨打印頭一起移動。其核心動作為聚焦的高功率LED輻射，照射在噴嘴前方直徑約20毫米的基板表面。這形成了一個約0.5毫米深的局部熔池，使其足夠薄，使下面的大部分材料保持冷卻、結晶且結構穩定，同時又足夠深，使入珠接觸到完全熔融的表面，而非冷的半結晶表面。
LEAMTechnologies首席執行官兼聯合創始人帕特里克·康蘇爾(PatrickConsul)解釋道：“這就是將兩種聚合物粘合成凝聚力，還是試圖將熱層粘接到冷層之間的區別。”“在前者中，兩個表面都處于塑性狀態，界面上的融合是真實的;在后者中，會有粘附，但結構連續性不會。DEMEX在整個建筑過程中精確且連續地設計擠出界面的焊接/熔融條件。”
選擇LED作為能源反映了特定的工程優先級。與紅外燈系統不同，LED能夠提供瞬時功率調制，從而具備跟蹤動態變化的熱條件的能力，以適應活躍打印過程中的快速變化。在此過程中，任意給定點的基板溫度同時取決于零件幾何形狀、環境條件、層耗時和沉積速度。與激光不同，LED在可見光譜范圍內發光，這消除了對昂貴激光安全防護罩的需求，并使安裝的安全要求與電弧焊接工藝保持一致，而大多數制造環境已具備容納電弧焊接的條件。
康蘇爾指出：“該系統的總成本通常低于典型激光安全單元。這不僅使集成更加簡便，而且顯著更具經濟性。”該系統采用三角形光學布局的三個主動發射器，在噴嘴周圍提供360°覆蓋，無需在計算機輔助制造路徑規劃過程中進行任何方向調整。它通過開放通信標準進行集成，并直接從機器控制器讀取位置數據而不覆蓋程序，從而可輕松地對現有LFAM硬件進行改造。
熔池精度控制
DEMEX與預熱附件的區別在于其圍繞發射器構建的測量架構。配備視場寬于生成熔池的紅外相機可同時監測兩個區域：由加熱器產生的熔池，以及其前方的待焊接基材表面。這種同時進行的雙區域測量為系統提供了實時數據，涵蓋焊接溫度和基材穩定性這兩個相互競爭的需求，并允許對每個區域分別設置獨立參數。系統可在將界面提升至焊接溫度的同時，利用加壓空氣冷卻趨于不穩定的區域，從而并行管理這兩種條件，而非在兩者之間進行權衡取舍。
LED發射環直接安裝在擠出機構下方，在不顯著增加現有機器結構體積的情況下，將熱控硬件集成到打印頭中
從實際應用角度而言，對于碳纖維填充的熱塑性塑料（如美國加利福尼亞州亨廷頓海灘的Airtech公司生產的DahltramI-350CF聚醚酰亞胺(PEI)，其碳纖維含量為20%），加熱器表面溫度目標約為360°C，接近該材料推薦的熔融溫度；而基材設定溫度則接近250°C，處于玻璃化轉變溫度附近，在此溫度下材料具有足夠的穩定性以承載后續層。
在整個打印過程中，所有溫度測量均記錄于打印頭工具中心點（TCP-toolcenterpoint）坐標處，為每個完成的零件生成空間分辨的熱點云。該點云中的每個點均記錄了打印過程中該位置的接觸溫度和基板溫度。可在實時識別超出規格的區域，無需對零件進行切割或等待后處理檢驗。
這種自適應熱控技術還能帶來顯著的生產效率提升。康蘇爾表示：“由于基板溫度比經過時間更具穩健性，它對壁厚變化、幾何復雜度和零件尺寸不敏感。該系統可將打印速度更接近實際熱穩定性極限。”僅使用自適應進給速率控制，在同等幾何結構上，打印時間比傳統恒定層時間方法縮短約10%。
結合主動加熱、自適應進給速率和選擇性冷卻技術，與恒定層時間策略相比，可將總打印時間減少約50%，在聚對苯二甲酸乙二醇酯改性（PETG）和聚碳酸酯（PC）材料上得到驗證，且機械性能無明顯下降。
測量結果
早期采用者的機械數據確立了DEMEX在材料層面所能實現的性能提升幅度。在慕尼黑國防軍大學輕量化工程研究所，研究人員使用含40%重量碳纖維填充的聚酰胺6（PA6）（一種廣泛用于汽車結構部件的牌號），與未采用主動加熱而在熱穩定性極限下打印的樣品相比，在層間拉伸強度方面記錄到約30%的改善。未處理的參考樣品平均拉伸強度為42.7兆帕，斷裂伸長率為0.73%，彈性模量為5895兆帕。經過主動加熱和控制冷卻的結合，斷裂伸長相對于未處理參考值提升至1.04%（+42.5%），彈性模量幾乎保持不變，約為5,783MPa。康蘇爾指出：“彈性模量最重要的一點是散射或變異性被減少。”“主動加熱與選擇性冷卻組合在斷裂時實現了最高的伸長度和層界面上最高的剛度，是所有測試配置中最強的。”
雖然這一結果看似矛盾，但兩者都被同一根源所抑制：界面在脆性粘合模式下失效。用DEMEX改進界面并不會使剛性和延展性相互碰撞—它消除了限制雙方的缺陷，使界面能更長時間抵抗變形才失效，然后實現整體失效，而非突然分層。
熱塑性塑料在疊加測試中直接沉積在已打印的表面上
在荷蘭航空航天中心（NLR，阿姆斯特丹）的另一項測試中，使用Victrex（英國ThorntonCleveleys）的慢結晶級聚芳醚酮（PAEK）進行研究，這種材料常用于高要求的航空航天結構應用，結果直接展示了DEMEX解決的問題嚴重性及其分辨率。
“沒有DEMEX，NLR根本無法在未加固的PAEK中完成空心試驗樣品;“康蘇爾解釋道，層界面的內部熱應力導致打印過程中的剝離和開裂，甚至在零件裝載前。“使用DEMEX，將基底目標設定在314°C，得出約92MPa的夾層拉伸強度，而擠出面內測得的96MPa——近乎各向同性的性能，而此前這種材料此前無法以這種形式打印。”
荷蘭航空航天中心（NLR）的DEMEX系統打印熱塑性材料，沉積區可見LEAMTechnologies的LED加熱光
在纖維增強PAEK中，在約300°C的基底溫度下實現了穩定且近乎全Z方向的強度，較未加熱的參考樣品提升了近100%。關鍵的是，加熱試樣的失效模式從層界面處的脆性粘合分離轉變為內聚性延展性破壞，即兩層材料相互撕裂，而非簡單剝離。
這一過渡表明界面不再是最弱的結構元件，而這正是結構部件資格認證所需的條件。在系統尺度上，NLR通過制造一個大型航空航天級模具，其層長是之前最大尺寸的五倍—首個模具刀路長度為2米，而LEAMTechnologies在更大區段為≈10米工具路徑—并實現了全打印穩定性。此外，部分區域的接觸溫度比原版提高了，盡管層長更長，最終部分沒有分層跡象。
結構方面的雄心壯志
這項技術的發展方向可能具有深遠影響。康蘇爾強調：“復合材料模具、熱壓罐模具、注入工具和裝飾夾具已經代表了LFAM的成熟商業市場，而這正是長層周長使熱管理最為困難的應用類別。”“DEMEX負責大規模解決。能夠加工標準注塑等級而非特殊AM配方，開辟了成本路徑，使LFAM在結構最終部件上直接與壓縮成型競爭。”
“每次配備DEMEX的打印過程中生成的空間記錄熱數據集，是另一項戰略資產，”他繼續說道。“隨著航空航天和國防鑒定框架開始制定針對增材工藝的標準，DEMEX產生的連續且特定地點的工藝證據正是工藝鑒定審計所要求的形式。”
NLR的加印工作將熱塑性材料直接沉積在碳纖維復合板材基底上，碳纖維/PAEK驗證結果共同表明連續且長纖維協同加工是合乎邏輯的下一步。DEMEX已經在短纖維最苛刻的端被應用，并證明它能在擠出熱塑性塑料與現有復合材料表面的界面形成結構結合。將連續光纖系統整合進這一工藝是下一個前沿，現有工作將成為其基礎。
DEMEX還將與制造技術中心（MTC，英國康文垂）進一步測試，該獨立研究與技術機構通過開發和驗證創新制造工藝，彌合學術界與產業界之間的鴻溝。MTC計劃于2026年將DEMEX整合進其LFAM單元，同時進行數據記錄和在過程監控升級。
能夠直接在熱塑性復合材料板上疊加肋條、法蘭和加固元件，開辟了一條將LFAM與結構復合材料領域連接起來的制造道路，這是傳統工藝無法復制的。康蘇爾說：“我們希望今年，這些應用中的首批能真正過渡到批量生產。”“最有可能出現在能源和海事領域，這兩個市場是我們識別為2026年最接近實現批量生產轉型的候選市場。”
IMPACD生產的大型曲面船體部件，采用回收聚丙烯制成，IMPACD是一家生產專業海事大型零件的制造商
海洋領域的采用已經在進行中。IMPACDBoats（荷蘭沃茲森德）正在率先利用DEMEX技術生產結構海事部件和專業應用的整艘船只。通過使用回收聚丙烯，IMPACD提高了其大幅面打印品的可持續性，這些照片可立即在水上使用。雖然不使用復合材料，IMPACD已證明了商業案例，并且是荷蘭生態系統的一部分—包括CEAD、荷蘭船舶工廠等—正在推動3D打印技術在各類休閑、商用和國防船舶中的發展。IMPACDBoats首席執行官兼聯合創始人瑪麗克·德博爾（MariekedeBoer）表示：“我們沒有進行試點項目。”“我們正在創建以前不存在的應用程序。”
原文《LEDtechnologyimprovesthetensilestrengthofZ-axisinterlayersincomposite3Dprintingby30%》
楊超凡