连续纤维增材制造技术可能会颠覆航空复合结构的生产模式

2019年3月，JEC组委会（世界上最大的复合材料展览会）将2019年度增材制造（3D打印）创新奖授予美国连续复合材料公司，洛克希德空军研究实验室Martin团队对连续纤维3D打印技术开发中的创新表示认可。 Continuous Composites是连续纤维增强3D打印技术的先驱，并于2012年获得了世界上最早的工艺专利。自2014年在美国推出第一台连续纤维3D打印机以来，该技术发展迅速，并在航空领域得到了广泛应用。随着该技术的逐步成熟和大规模应用，该技术可能会颠覆现有的复合无人机和低成本复合航空结构的生产模式。

连续纤维3D打印技术的优势连续纤维3D打印技术全面利用了工业机器人，3D打印的末端执行器，原位检测，智能监控和机器学习等技术，可以在原位快速运输和沉积连续纤维增强材料和基体树脂。固化方面，与传统的自动线成型和熔融沉积成型工艺相比，自动化程度和灵活性更高。对于典型的碳纤维/ PEEK零件，研发周期可以缩短到原来的1/30，生产速度可以提高100倍。连续光纤3D打印机可以由具有灵活单元的多个机械手组成。可以将多个3D打印末端执行器添加到机器人。同时，打印头可以支撑碳纤维，凯夫拉尔纤维，玻璃纤维甚至光纤和金属线等材料。它可以用于大量生产复合零件，也可以一次印刷非常复杂的几何形状或需要极其精确制造的关键零件。连续纤维3D打印技术的发展方向目前，美国和欧洲的3D打印技术开发商和机器人制造商共同开发了一系列先进的连续纤维3D打印设备和制造过程列表。主要的应用方向和发展如下。低成本复合材料结构的批量生产Arevo开发了直接能量沉积（DED）工艺，将热塑性预浸料丝束打印成零件，空中客车资本（Airbus Capital）投资了该公司。 DED工作单元由一个工业机器人，一个激光加热的打印头和一个旋转的施工平台组成。与传统的3D打印相比，它可以将生产速度提高100倍。除了无人机机身，机翼和其他航空部件外，Arevo还生产类似于无人机车架结构的自行车车架。连续纤维3D打印技术将其开发周期从18个月缩短到18天。

该公司的新工厂于2019年2月投入运营，拥有八个机器人工作单元，它们可以完成打印本身，后处理（例如钻孔）和喷漆的预磨削，每个单元总共可以生产八个大型零件天。该公司正在测试每个机器人多个打印头和每个工作单元多个机器人，以将生产速度提高三倍。为了在整个加速过程中保持质量和可重复性，该公司使用现场检查和机器学习技术为打印头配备了多个传感器（高度，压力，变形等的测量），并且系统软件使用这些传感器传感器数据。根据需要实时调整过程参数。这样，当工作单元需要更快地运行时，可以确保沉积速率，加热，固化和其他参数达到最佳匹配。 arevo 3D打印技术美国Orbital Composites Corporation开发了一种高度定制的3D打印设备，该设备由并行机器人和模块化同轴挤出末端执行器组成。挤出喷嘴通过其中心孔和周围的环形喷嘴供应基础材料。纤维供应，并行机器人通过多次协作来加快生产速度。系统3D打印速度提高了100倍。该技术的特点是它几乎可以适应任何复合材料：干燥和粘合的3-48K丝束纤维；塑料，陶瓷或金属基材，包括热固性/热塑性和碳化硅；以及结合铜或铝线，纳米材料，导电油墨或其他有助于实现多功能结构的材料的能力。这使其特别适用于无人机应用，在该应用中，一台设备的投资可以应用于所有结构和功能组件。由美国铁路复合材料有限公司（American Rail Composites Co.，Ltd.）进行3D打印的产品。

意大利Moi Composites开发的连续纤维制造工艺旨在解决用热固性树脂进行3D打印的挑战，并成功地用环氧，丙烯酸和乙烯基酯纤维印刷了连续玻璃增强复合材料。除了适用于碳纤维应用的固化机制外，此过程还可以使用UV固化，所需的固化时间少于1s。目前，该技术已开始用于制造航空结构件。 Moy Composites快速发展具有复杂或精确结构且小批量生产的3D打印工艺南卡罗来纳大学麦克奈尔航空航天创新研究中心的研究团队已开发出熔融长丝制造（FFF）工艺。 FFF系统配备了具有连续纤维沉积末端执行器的工业机器人平台，可提供7个自由度。该技术非常适合三种类型的应用：首先，制造具有相对较高的模具或芯棒成本的小批量航空结构，例如仅需要特定高强度组件的无人机或小型飞机。其次，使用其他制造方法不能生产出需要强度质量比和刚度质量比的高度复杂的结构，例如加强格栅；第三是套印，这是一种在打印过程中插入组件并因此完全嵌入到已打印零件中的技术，可以实现零件集成，例如在已打印零件中嵌入射频识别芯片或电子传感器。传统收养自动拖曳式航空航天结构的集成度很低，该技术的亮点在于，如果使用热塑性材料制成复合结构，则每次通过套印将其重新熔化以添加新的组件时，就无需铆钉，紧固件和粘合剂这些结构可以得到显着改善。麦克奈尔3D打印技术旨在生产高度复杂且独特的结构。 McNair 3D打印复杂零件。荷兰CEAD集团于2018年11月推出了其“ Prime”大型连续纤维增材制造3D打印机。其尺寸为2m×4m×1.5m，是欧洲最大的3D打印机。

在制造过程中，打印机首先用所需的热塑性树脂预浸渍连续的玻璃纤维或碳纤维，然后打印头将连续的纤维与熔融的热塑性树脂颗粒结合在一起，其中还可以包含一定比例的短切纤维，这对于小批量生产尤其有利。生产大型和复杂的产品。它还具有一个智能的加热/冷却系统，可通过热像仪监控过程并根据需要进行实时调整。 CEAD集团3D打印高压釜模具俄罗斯初创企业Aniso Printing Co.，Ltd.开发了一种基于复合纤维共挤出工艺的3D打印机，该打印机在将增强长丝供入打印机之前也已进行了预浸渍，但是制成了长丝特殊配方的热固性树脂已预先浸渍，而基体树脂通常是热塑性塑料。据说这是因为热固性聚合物比热塑性塑料更容易润湿单根长丝，并且可以提供更好的附着力以提高固化零件的质量。批量生产将速度与精度结合在一起的复杂结构。美国Mark Forge开发的连续纤维系统使用两个打印头，一个用于基质树脂，另一个用于热塑性树脂预浸料丝束。技术改进的重点是可靠性和可重复性。公司致力于实现流程的完全关闭并且正在为此开发一系列功能，例如完全集成的物料跟踪和全面的自动报告功能。该系统的重要应用是印刷工装夹具和组件。与机械加工的铝制部件相比，3D打印的热塑性产品强度高但重量轻，不会损坏金属部件等部件，并且可以在同一天进行制备。这可以促进航空复合材料制造模具的发展。使用快速固化的热固性树脂（该方法也适用于热塑性塑料）并将增强纤维浸入打印头中，美国的双机器人连续纤维3D打印机美国连续复合材料公司获得了创新奖连续纤维打印（CF3D）工艺，材料沉积后，立即固化复合材料。热固性材料使该过程能够在自由空间中进行高速打印，纤维体积含量可达到50％到60％。屡获殊荣的项目的重要发展包括自动化的刀具路径生成；自动工具更换，可在同一零件上进行高分辨率单遍打印和高沉积率多遍打印；并提高了机器人的准确性和精确度。该公司预计，将来该技术将用于按需打印整个飞机结构，无论是10还是10,000。连续纤维3D打印将多个结构作为单个组件打印。图片显示了带有嵌入式角撑板的飞机翼梁。使用Continuous Composite的3D工艺进行打印，然后通过手工沉积的碳纤维复合材料进行蒙皮。瑞士9T实验室基于连续点阵制造工艺开发了“ CarbonKit”系统。该系统使用工业级的廉价材料进行挤出和复合。物料杆，该杆通过牵引装置进入可调热挤出头，该系统可与一系列热塑性基体系统，纤维体一起使用体积含量可以达到50％以上。该系统的另一个重要特征是能够按比例缩小不同的横截面面积，因此它适用于具有小丝束的高分辨率应用，以及具有大丝束的大幅面增材制造，例如加硬的墙板。正在进行的项目已确认每年可以生产约30,000个零件。 9T Labs的3D打印微型无人机框架启示表明，连续纤维3D打印技术仍然存在两个主要问题：第一，纤维含量低，并且打印层之间分层的可能性高；其次是缺乏标准化的连续工具生成商业软件的途径。将来，随着这些问题的解决，该技术将依赖于灵活性，开放性，高速，高效，低成本和生产完全自动化的优势，并且肯定会与传统的复合材料制造技术竞争。可以预见，随着该技术的成熟和大规模应用，将进一步促进航空制造业探索3D打印无人机，复杂的航空航天结构和制造工具的批量生产，掀起航空复合材料的新潮流发展。面对国外技术的飞速发展，中国应加强情报跟踪研究和判断，并结合原材料，机器人，末端执行器，3D打印软件，传感器，机器学习和数控系统等优势企业，尽早开发和示范。尽可能采用一系列可独立控制的工艺和设备，形成大规模的制造工艺和设备产业，支持中国制造业提高生产效率和质量，以应对未来面临的高速低成本竞争。航空复合结构的设计与制造，并满足以无人机为代表的未来对低成本，大批量按需制造航空设备的需求。