增材制造:你能打印出一辆汽车吗?

作者:CompositesWorld Ginger Gardiner 文章来源:AI《汽车塑化》 发布时间:2017-05-02
对几乎任何大的东西进行直接-数字化的制造,通过联合示范,消除了人们对3D打印所具有的颠覆性潜力的怀疑。

2014年9月8~13日,在美国伊利诺伊州芝加哥举行的2014 IMTS展览会中,世界首个用于一辆汽车的3D打印的复合材料车身无可置疑地成为该展会的亮点。

由美国橡树岭国家实验室(简称“ORNL”,美国田纳西州橡树岭)主导的一个公共/私人合作团队,开发出了大型的增材制造能力。为展示这一制造能力,用于电池驱动双人座Strati汽车的乘员舱(或称为“盆体”,含车架、座椅、驾驶舱、引擎罩和尾翼)以及4个挡泥板(共5片合计680kg),在44h之内被3D打印出来。随后,用了两天时间来对汽车进行组装。在展会结束前,组装好的汽车从拥挤的人群中驶离IMTS展会的新型技术展区,以庆祝这项成功。

由Local Motors公司(美国亚利桑那州Chandler)CEO John B. Rogers, Jr.构想出的这一示范项目,作为对3D打印汽车设计的挑战,利用了大型增材制造(简称“BAAM”)机器的大尺寸打印能力。该机器由辛辛那提公司(美国俄亥俄州哈里森)与ORNL合作制造而出。

“我们是一家研究机构,没有从事汽车制造业务。”ORNL的制造系统研究集团负责人Lonnie Love博士指出,“但是,如果你能够打印一辆汽车,Strati是一个很好的试验案例。”他戏称,“你可以打印任何东西。”3D打印的部件已经在商用飞机上应用并随机飞行了,而且正在接受测试用于喷气发动机, 这一直接数字化制造(简称“DDM”)的汽车,其含义是,的确很大且不会受限用于航空和汽车应用领域。

你能打印一辆汽车吗?

大型增材制造的概念早于1990年代晚期即由Lockheed Martin公司(美国德克萨斯州福沃斯)提出,其终极愿景是一种“lights out”工艺,即采用多功能机器人控制的挤出沉积头来成型采用先进热塑性复合材料的飞机。一段时间后,美国能源部(简称“DoE”)向其位于ORNL 的制造示范基地(简称“MDF”)下达了任务:通过开发,使得众所周知的3D打印进入工业规模的加工领域。到2013年,Lockheed Martin公司已与ORNL合作并将其设备搬进了MDF实验室。然而,进步却很缓慢。“利用机械手臂,肩部微小的运动会引起顶端很大的运动,从而改变了精度和分辨率。”Love解释说,“挤出机也很重。所以我们为该系统适配了一个大龙门,它提供了必要的刚度和支撑。”

2014年早期,Local Motors与辛辛那提公司输入了图片。“2012 IMTS展会的组织者向我们询问:能为挑战机器模具制造业做些什么。”Rogers回忆说,“我们想,‘只需敲击一下打印按钮,一辆汽车即可从另一端出来’的概念是很有吸引力的。”碰巧的是,当时辛辛那提公司正在寻找新的市场。两家公司于2014年2月访问了MDF。辛辛那提的发言人对Love说:“我们能够制造并销售这些机器。”之后,Love的团队拜访了这家机器制造商并达成协议。

辛辛那提公司与ORNL和Rogers签署了一项合作研发协议(简称“CRADA”) ,以承诺所有的3家公司将成为2014 IMTS展会新型技术中心展区的主角。Local Motors 于2014年3月宣布举办其3D打印的汽车设计挑战赛,并于2014年5月公布了获奖者。与此同时,辛辛那提公司与ORNL一起装配能够打印Strati 部件的机器。

建立在类固醇上的熔融沉积成型

尽管大多数由3D打印机构建的部件只有鞋盒大小,但BAAM 机器的打印尺寸几乎是10倍大,即为2m×4m×0.9m(x、y和z轴)。一个辛辛那提公司的激光器平台(laser platform)——CO2和光纤激光器均在该公司100周年期间制造的这一50,000+ 机器中——提供了BAAM机器的机架、运动系统和控制系统。其直线电动机驱动使得BAAM能够保持一个水平的床身,而在沉积速度达5080 mm/s时,每个轴都能提供±0.025 mm的定位精度。

“激光切割与3D打印机器是相似的,都有一个按照CNC编程进行空间移动的头。”辛辛那提市场经理Matt Garbarino解释说,“我们的系统,去除激光器后,可提供足够的X轴和Y轴运行范围,但还需要Z轴方向的运动超过典型的0.5m。” 为此,辛辛那提公司制造了一个可垂直运行的工作台,以提供0.9m的Z轴范围。

取代激光器后, ORNL在BAAM上安装了其挤出机和喂料系统,从而允许一层一层地施加加热的热塑性配混料。作为一台被亲切地描述为“类固醇上的熔融沉积成型(简称‘FDM’)的机器”,采用了ORNL的挤出机和喂料机的BAAM拥有17 kg/h的沉积速度,比3D打印机的速度平均快200~400倍。

“在FDM 通常使用一卷塑料线的地方,BAAM使用塑料粒子,类似于注塑成型用的塑料粒子,所以部件在经济上是可承受的。” Garbarino 解释说。从一个2m×2m×2m的料筒中,这些塑料粒子通过一个干燥机被真空喂送到一台单螺杆挤出机中。该挤出机熔化并迫使含有或不含有纤维增强材料的热塑性塑料通过一个标准的8mm直径的喷嘴。“排出的珠滴大约有5mm高、9mm宽,而且是圆形的。” ORNL的Love补充道,“一个填紧装置上下振动,以把珠滴推成一个矩形,同时实现与下面一层的良好粘接。”对Strati而言,被打印层的厚度大约是4 mm。

“BAAM被设计可适应广泛的材料类型,允许有更多的灵活性和低成本选择。”Garbarino说。到目前为止,试验过的材料包括:丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯砜(PPSU或PPSF)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)以及聚醚酰亚胺(PEI)。碳纤维与玻璃纤维增强材料也已得到应用,从而提高了打印部件的强度和热稳定性。“通常,根据塑料粒子的大小,在这些粒子中的纤维拥有5~7µm的直径和500µm~0.5mm的长度,因为这些纤维是与聚合物一起被共挤出。”Love指出。ORNL 还对由订制注塑级别配混料的专业公司Techmer(美国田纳西州克林顿)提供的填充了纳米纤维和石墨烯的聚合物进行了试验。Strati是采用SABIC(美国马萨诸塞州Pittsfield)的LNP STAT-KON AE003材料被打印而成,这是一种基于SABIC的CYCOLAC 树脂并含有15%短切碳纤维的ABS 配混料。

从获胜的设计到可制造的打印

Local Motors从来自30个国家的200多项提案中选出了挑战赛的优胜者——意大利设计师Michele Anoé的Strati,然后采用来自Siemens PLM Software(美国德克萨斯州普莱诺)的Solid Edge开发软件,开始对Strati的3D CAD文件进行优化,以使其适合打印(见步骤1)。“我们必须确保所有的区域都是可打印的。”Rogers解释说,“比如,如果一个壁被设定为19mm厚,但我们只能打印4mm的层,我们就需要去更改尺寸到20 mm,并确保整个设计是可实施的。”

作为对大型增材制造能力的展示, 该汽车的乘员舱(含座椅骨架、驾驶舱、引擎罩和尾翼)以及4个挡泥板,共计5片,重680kg,经3D打印而出(图片来自Local Motors)

Strati双人座汽车的右侧车身板和挡泥板的侧视图(图片来自Local Motors)

获胜的设计概念,由获胜者Michele Anoé构思而成(图片来自Local Motors)

Strati的CFRP单体式车身/底盘在IMTS展会中采用大面积的增材制造(BAAM)机器、经过44h被打印而出(图片来自美国橡树岭国家实验室)

由辛辛那提公司制造的龙门式激光切割机改制而成的3D打印机,配备了美国橡树岭国家实验室开发的挤出机。展会中的BAAM拥有2m×4m×0.9m的打印床,而且在打印速度高达5080 mm/s时,其运动控制的龙门传送精度为±0.025mm(图片来自辛辛那提公司/Local Motors)

“你还不能只在自由空间打印。”Love补充道,“无论何处拥有一个突出物,你必须支持它。”

Rogers承认,这是一项完全由手工完成的检查工作,但也是第一次采用了一种大面积的增材制造机器。此后,Local Motors采用 ORNL内部的切片软件进行工作。“我们将设计实体分切成机器可打印的层。”Rogers说。

“但有一个问题仍然存在,我们一直在以4.5 kg/h 的速度扩展部件,所以我们已经比大多数的3D打印机快了两个数量级。”Love回忆道,“但是,只有3~4周的时间,这对于组装以及在展会结束前将汽车驶离展台,这个速度还不够快。”该团队没有准备放弃。“我们一直在研究一台新的挤出机。”Love说,“在IMTS展会前的一个星期,我们把它换成一个系统。我们试着打印,它运行了! 我们达到了几乎18 kg/h的速度。”

打印、组装、驾驶

打印从周日早晨7点开始(见步骤2),到周二早晨6点,作为一个454kg重的碳纤维增强塑料(CFRP)单体,汽车车身的主结构已经完成。然后由叉车(见步骤4)将其转送到一台Thermwood公司(美国印第安纳州Dale)提供的五轴数控机床上,在此,用一天的时间,通过加工获得了平滑的表面(比如,满足装饰应用要求)并进一步提高了尺寸精度(见步骤5)。加工好的盆体随后于周四返回到展位上并进行组装(步骤6、7、8)。机械零件(车轮、布线、制动器和悬架)来自不同的供应商,包括来自Renault Twizy 城市轿车的电动动力总成。随着车顶保护杆、挡风玻璃、车灯、装饰条和座椅罩的准备就绪(见步骤9)——Strati于2014年9月13日周六上午9点准备好了运行(见步骤10)。Rogers驾驶Strati离开展台并驶离展会大厅。

步骤1:Local Motors首先对竞争获胜者Michele Anoé的Strati 3D CAD 文件做了修改,以确保车身设计的所有区域都是可打印的,能与BAAM机器参数相兼容,并可装配(图片来自Local Motors)

步骤2:BAAM 系统熔化并挤出低成本的热塑性粒料(见步骤2a)。针对Strati车的应用,这些粒料是15% 碳纤维增强的ABS(图片来自Local Motors)

步骤2a:BAAM机器使用的粒料类似于注塑成型用的粒料(图片来自Local Motors)

步骤3:在此,BAAM 构建起212 层的层合结构,以形成汽车的主结构,包括车架、座椅、驾驶舱、引擎罩和尾翼

步骤4:打印好的CFRP 盆体只有454 kg,能够被方便地运送到IMTS展会的另一个展位,以进行加工(图片来自Local Motors)

步骤5:盆体的加工采用了Thermwood公司(美国印第安纳州Dale)的一台五轴数控机床,加工表面要求平滑,并为匹配部件提供紧公差(图片来自Local Motors)

步骤6:加工的盆体返回到展位以完成进一步的组装(图片来自Local Motors)

步骤7:技师加上悬架、布线、动力传动系统、制动器和车轮(图片来自Local Motors)

步骤8:在BAAM机器上打印好并完成加工的挡泥板被放到Strati的车轮上(图片来自Local Motors)

步骤9:最后,Strati被装上挡风玻璃、车顶保护杆、车灯和座椅罩(图片来自Local Motors)

步骤10:按计划的时间列表完成后,驾驶Strati离开IMTS 展会的新兴技术展区,并开出展览大厅(图片来自Local Motors)

3D 打印的Shelby Cobra 跑车闪亮的前部(图片来自美国橡树岭国家实验室)

沿此道路继续下去

ORNL于2014年1月启动了对其下一代挤出机的试验,该挤出机能以45~68 kg/h的速度铺材料——这可将Strati的打印时间减少到一天。同时,辛辛那提公司已将BAAM的工作空间扩大至6m×2.4m×1.8m,x轴的运行范围扩大了50%,y轴扩大了20%,而z轴的运行范围扩大了两倍(部件高度)。目前安装在ORNL的这台BAAM 100 ALPHA Size 2机器,取代了已被重新安置到Local Motors总部的Size 1机器。辛辛那提公司还销售了一台机器给SABIC,用于确定材料的加工参数,以及销售了另一台ALPHA Size 1机器给一家大型的航空实体公司。在此期间,该公司获得了多个ALPHA 机器的销售线索,目前正在落实一项BETA版本的业务,以实现高速生产并在2015年晚些时候完成第一批交付。

在2015底特律车展中(2015年1月12~25日,美国密歇根州底特律),几家合作伙伴不仅展示了BAAM机器带来的新速度以及早期的碰撞试验结果,而且通过展示ORNL的50周年纪念版Shelby Cobra 车型,介绍了如何完成3D打印的汽车部件。该车拥有一个A级喷涂表面。这款635kg重的汽车(轻量化且套材版式的平均重量为1070 kg),其227kg的部件是在超过25h的时间内采用20%碳纤维增强ABS打印而成。所用模具在8h内被3D打印而成, 并用了4h进行切削加工,其成本为250美元。这些部件在MDF被构建出,采用了BAAM 100 ALPHA Size 2机器。得益于一个可挤出较小珠滴的5mm直径的喷嘴,使得表面变量被减小至±0.5 mm。作为一家重要的合作伙伴,TruDesign(美国田纳西州诺克斯维尔)为改善3D打印层与涂层之间的粘接效果而对材料和方法进行了调研。“他们为我们完成了几套模具,而且实施了后续的打印加工和精加工步骤。”Love说。

3D打印的2015 Shelby Cobra: 用于福特Shelby Cobra 跑车50周年纪念版的前挡泥板、前照灯附件、引擎盖和格栅,在BAAM上被整体打印而出,然后准备进行底涂和喷漆(图片来自美国橡树岭国家实验室)

Rogers确信,这项技术不仅对于汽车行业而且对于整个制造业都是颠覆性的。

复合材料与进一步的模式转换

“对于增材制造而言,碳纤维是游戏规则的改变者。”Love说,“它不仅改变了你所能实现的刚度和强度,而且改变了热膨胀系数(CTE)。通过向聚合物中添加碳纤维,你可以极大地限制最终部件的弯曲和翘曲问题。”用于热压罐固化部件的航空模具必须具有低的CTE 来处理好高温操作问题。Love的团队通过为Cherry Point Marine Corps Air Station(美国北卡罗来纳州Havelock)打印CFRP模具而证明了这一能力。“运输它们所花费的成本和时间比制造它们的确要多。”Love指出,军事领域不是对此有需求的唯一机构,多家汽车OEMs正在考虑将同样的技术路线用于试制的车辆,这不仅能消减模具成本,而且还缩短了新车型的整个生产周期。

然而,Rogers对于打印的汽车是认真的。“很多人会将它看作是一个科学项目或原型,但这却是真实的汽车。从设计到驾驶上路,不到12个月即可完成。”对Strati的设计和构造只用了6天,而且相比传统汽车的20000个部件,它只需要大约200个部件。“没有了模具、冲模或模型,节省了数千万美元和数月的时间。”Rogers解释说,“还没有材料的浪费。” Local Motors的业务计划是缩短打印和生产时间,使得18000~30000美元的目标价格以及在微型工厂(希望在世界各地都能设置)中实现订制设计的生产成为可能。

 

大面积的增材制造(BAAM):提高材料喂送量和速度

在2014年9月的IMTS 展会中,用于打印Local Motors公司(美国亚利桑那州钱德勒)的Strati双人座电动跑车、由辛辛那提公司(美国俄亥俄州哈里森)制造的大面积的增材制造(简称“BAAM”)机器,拥有大约17 kg/h 的打印能力,它在44h内完成了5个用于汽车的车身部件。作为这一进展中的大型3D打印项目的一家重要合作伙伴,美国橡树岭国家实验室(简称“ORNL”,美国田纳西州Knoxville)已为打印速度可达45~68 kg/h的BAAM机器而开发了一款新的挤出机。然而,ORNL的制造系统研究团队负责人Lonnie Love博士说:“如果我想增加材料流量,我需要运动得更快。”辛辛那提公司从其CNC控制的龙门式激光切割平台(线性速度5 m/s)出发,改装成了BAAM机器。“在IMTS展会中,我们只驱动了第一档,喷嘴尖就以0.05~0.08 m/s的速度运动。但我们还有许多开发的空间,我们能够使速度轻易地提高20~40倍,并铺放更多的材料,但必须协调好龙门速度。” Love说。

他举了一个将打印速度从4.5 kg/h提高到17 kg/h的例子——这是该团队在IMTS展会前实现的。“采用同样直径的喷嘴,速度必须从25 mm/s提高到100 mm/s,这是因为推出的材料更多。”就像从管中挤出牙膏一样, 如果推进运动太慢,所施加的珠滴就会剧增;而推进运动太快,就会引起挤出的材料变弱。

Love承认,对流量的控制非常具有挑战性,而且是ORNL与辛辛那提公司持续改进的领域之一。辛辛那提公司已经开发了能够控制BAAM机器沿x、y、z轴方向运动并调节材料流量的软件。辛辛那提公司市场经理Matt Garbarino解释说:“熔化塑料并快速将它从挤出机中推出是ORNL正在开发的工作,但那时我们已经能够针对不同的形状、采用喂送速度来有效地管理最佳的流量。”Love与 Garbarino同意,这项任务是调整好进给速度与龙门控制系统,以便与施加的材料量相适配,从而产生非常精细的、可重复的珠滴。

Love详细介绍了协调材料流与龙门运动的另一个方面。“想象一下,一旦打开了泵,材料就会流出。所以,我们必须在移动龙门前的40毫秒内打开泵,而且同样要在转弯前的40毫秒内关闭它。”他还指出,如果龙门停下并抬起,它就会拉起打印材料,形成尖状物,这些尖状物随着硬化就会损坏机器。“所以我们拥有一个圆周运动以使材料形成漩涡,以防止甩尾。”

“如果正常的3D打印机以大约16.4 cm3/h的速度运行,不久我们将达到大约16400 cm3/h的速度。”Love声称。

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