連續纖維3D打印技術的優勢

 

　　連續纖維3D打印技術綜合利用工業機器人、3D打印末端執行器、原位檢測、智能監測與機器學習等技術，快速輸送、沉積連續纖維增強體和基體樹脂，并原位浸漬、固化，與傳統的自動鋪絲成型以及熔融沉積成型等工藝相比，自動化程度和靈活性更高，對于典型的碳纖維/聚醚醚酮零件，研發周期可縮短至原來的1/30，生產速度可提高100倍。連續纖維3D打印機可以由多機器人組成柔性單元，機器人上還可添加多個3D打印末端執行器，同時，打印頭可支持碳纖維、凱夫拉、玻璃纖維甚至光纖和金屬絲等材料，使該技術既可以用于大批量生產復合材料零件，也可以一次性打印高度復雜的幾何形狀或者需要極其精密制造的關鍵零件。

 

雙機器人連續纖維3D打印機

 

 

　　當前，美歐3D打印技術開發商與機器人制造商已共同開發了一系列先進的連續纖維3D打印設備與制造工藝，主要應用方向和發展情況如下。

 

　　一、低成本復合材料結構的大批量生產

　　美國阿瑞沃公司開發了可將熱塑性預浸絲束打印成零件的直接能量沉積（DED）工藝，空客資本公司參與了對該公司的投資。DED工作單元由工業機器人、激光加熱打印頭和旋轉構建平臺組成，與傳統3D打印相比，能夠將生產速度提高100倍。除無人機機身、機翼等航空零件外，阿瑞沃公司還生產與無人機框架結構類似的自行車車架，連續纖維3D打印技術使其開發周期從18個月縮短到了18天。該公司于2019年2月投入使用的新工廠擁有8個機器人工作單元，可完成包括打印、后處理（如鉆孔）以及用于噴涂的預打磨等工序，每天共可生產8個大型零件。該公司正在測試每臺機器人運行多個打印頭以及每個工作單元運行多個機器人，以將生產速度再提高3倍。為了在整個提速過程中保持質量和可重復性，該公司采用了原位檢測和機器學習技術，為打印頭配裝多個傳感器（測量高度、壓力、變形等）， 系統軟件使用這些傳感器數據，根據需要實時調整工藝參數。這樣，當工作單元需要更快運行時，就可以確保沉積速率、加熱、固化和其他參數得到最優匹配。

 

　　美國軌道復合材料公司開發了由并聯機器人、模塊化同軸擠出末端執行器組成的高度定制化的3D打印設備，擠出噴嘴通過其中心孔供給基體材料，通過周圍的環形噴嘴供給纖維，并聯機器人通過多臺協作加快生產速度，可比傳統3D打印快100倍。該技術的特點是可適應幾乎任何復合材料：3-48K絲束的干燥和預浸纖維；包括熱固性/熱塑性塑料和碳化硅在內的塑料、陶瓷或金屬基體；并且能夠結合銅或鋁線、納米材料、導電油墨或其他有助于實現多功能結構的材料。這使其特別適合無人機類應用， 投資一種設備即可應用于所有結構和功能組件。

 

 

　　意大利莫伊復合材料公司開發的連續纖維制造工藝，旨在解決使用熱固性樹脂進行3D打印的挑戰，并已成功用環氧樹脂、丙烯酸和乙烯基酯打印連續玻璃纖維增強復合材料。除了適用于碳纖維應用的固化機制外，該工藝還可使用紫外線固化方式，所需固化時間小于1秒。目前，該技術已開始用于航空結構件制造。

 

　　二、復雜或精密結構的快速研制和小批量生產

　　美國南卡羅來納大學McNair航空航天創新與研究中心的研究團隊開發了一種熔融長絲制造（FFF） 工藝，FFF系統使用配備有連續纖維沉積末端執行器的工業機器人平臺，可提供7個自由度。該技術非常適合三類應用：一是模具或芯軸成本相對過高的小批量航空結構件制造，如僅需一個特定高強度組件的無人機或小型航空器；二是利用其他制造方法無法產生所需比強度和比剛度的高度復雜的結構，如加強網格；三是復合模塑，這是一種在打印過程中插入組件并由此完全嵌入打印零件中的技術，可以實現零件整合，如在打印零件中嵌入射頻識別芯片或電子傳感器。傳統采用自動絲束鋪放的航空結構集成度很低，而該技術的亮點在于，如果使用熱塑性塑料制造復合材料結構，每次就是通過復合模塑工藝重新熔化以增加新組件，避免了鉚釘、緊固件和黏結劑的使用。

 

　　荷蘭CEAD集團于2018年11月推出其Prime大型連續纖維增材制造3D打印機，其尺寸為2米×4米×1.5米，是當時歐洲最大的3D打印機。制造過程中，打印機首先使用所需的熱塑性樹脂預浸漬連續玻璃纖維或碳纖維，然后打印頭將連續纖維與熔化的熱塑性樹脂顆粒結合，其中還可包括一定百分比的短切纖維，特別有利于小批量生產大型復雜產品。它還具有智能加熱/冷卻系統，可通過熱感攝像頭監測工藝，并根據需要實時進行調整。

 

　　俄羅斯初創企業阿尼索打印公司開發了基于復合纖維共擠出工藝的3D打印機，也是在送入打印機之前對增強長絲采用熱固性樹脂進行預浸漬處理，打印過程中使用的基體樹脂則通常是熱塑性塑料。據稱這是因為熱固性聚合物比熱塑性塑料更容易潤濕單絲，從而提供更好的附著力，提升固化后零部件的質量。

 

　　三、將速度與精度相結合的復雜結構大批量生產

 

　　美國馬克鍛造公司開發的連續纖維系統使用兩個打印頭，一個用于基體樹脂，另一個用于熱塑性樹脂預浸絲束。技術改進的重點是可靠性和可重復性。公司致力于實現工藝的完全閉環，并正為此開發一系列功能，如完全集成的材料跟蹤和全面的自動報告功能。該系統的一個重要應用是打印工裝夾具及組件，與機加鋁制組件相比，3D打印的熱塑性產品同樣堅固但更輕，不會像金屬組件那樣破壞零件，而且在同一天內就可以準備好，這可促進航空復合材料制造模具的發展。

 

　　美國Continuous Composites公司獲得創新大獎的連續纖維打印（CF3D） 工藝，使用快速固化熱固性樹脂（工藝也適用于熱塑性塑料），將增強纖維浸漬在打印頭內，并在材料沉積后立即固化復合材料。熱固性材料使該工藝能夠在自由空間中執行高速打印，纖維體積含量可達到50%～60%。獲獎項目中的重要進展包括更加自動化的工具路徑生成手段；自動化的工具更換，可在同一部件上實現高分辨率單通道打印和高沉積率多通道打印；提高機器人準確性和精度等。該公司預計未來此技術將用于按需打印整個飛行器結構——無論是10件還是1萬件。

 

連續纖維3D打印將多個結構作為單個組件進行打印，圖為帶有嵌入式角撐板的飛機翼梁。

 

　　瑞士9T實驗室基于連續點陣制作工藝開發了CarbonKit系統。該系統使用工業級廉價材料拉擠出復合材料棒，隨后通過牽引單元進入可調節熱量的擠出頭。該系統可以與一系列熱塑性基體體系配合使用，纖維體積含量可達50%以上。該系統的另一個重要特征是能擠出不同的橫截面積，即適用于采用小絲束的高分辨率應用，也適用于大絲束的大幅面增材制造，如加筋壁板。

 

　　啟示建議

 

　　當前，連續纖維3D打印技術還存在兩個主要問題：一是纖維含量低，且打印層之間的分層可能性高；二是缺乏標準化的連續工具路徑生成商業軟件。未來，隨著這些問題的解決，該技術依托靈活開放、高速高效、低成本且生產完全自動化等優勢，必將會與傳統復合材料制造技術產生競爭。可以預見，該技術的成熟和大規模推廣應用，將進一步促進航空制造業探索以3D打印方式批量生產無人機、復雜航空結構件以及工裝夾具的方法，掀起航空復合材料發展的新浪潮。

 

　　面對國外技術飛速發展的勢頭，我國應加強情報跟蹤研判，聯合原材料、機器人、末端執行器、3D打印軟件、傳感器、機器學習、數控系統等領域的優勢企業， 盡早開發和演示驗證若干系列自主可控的工藝和裝備，形成規模化的制造工藝和裝備產業，支撐我國制造業提高生產效率和質量，以迎接未來航空復合材料結構設計制造面臨的高速、低成本競爭，并滿足未來以無人機為代表的航空裝備低成本大批量按需制造的要求。