3D打印缺少第三维度,新兴工艺正在将复合材料的3D打印带入第三维度

作者:AUTOMATED DYNAMICS公司工程经理 DAVID HAUBER(本刊编译) 文章来源:PT塑料网 点击数:22 发布时间:2019-08-08
3D打印缺少第三维度,现在,RC3D技术将熔融沉积模型扩展到了三维,而采用先进的机器人技术和FDM的创新变化,在3个维度上放置连续纤维,可以打印出高性能的3D复合材料结构。
3D打印缺少第三维度,新兴工艺正在将复合材料的3D打印带入第三维度

新兴工艺,如连续纤维制造、原位固化和无模制造,正在将复合材料的3D打印带入第三维度。

复合材料制造本质上是一个增材制造的过程,而且一直以来都涉及三维世界的结构效率。然而,3D打印的发展却较为缓慢。30多年来,3D 打印一直停滞在2.5D的水平,即在一个平面(2D)的基础上依次构建部件的每一层,从而形成的3D结构拥有小强度的第三维度。自20世纪80年代以来,人们就知道这种Z向的弱点,但几乎没有做什么来解决这个问题。然而,3D打印却引发了公众的想象力,并发展成为一个每年70亿美元的产业。这一成功,主要是由于难以置信的机智的年轻人的思想突破了早期2.5D技术带来的许多障碍,但他们却忽视了第三维度。

输入复合材料

这些早期的快速原型技术已经发展成为增材制造——不仅用于原型制作,还包括实际结构应用中的功能部件。复合材料行业从一开始就这样在做,但我们却正在从手工铺层向自动“打印”复合材料结构的方向进步。自动化的纤维铺放(简称“AFP”)是一个巨大的进步,也是一项现在得到广泛应用的工艺,可以将连续纤维精确地放置于负载路径方向上所需之处,从而制造出高性能的三维结构,波音787、空客A350和Lockheed F-35就是通过AFP生产的复合材料部件结构的良好示例。然而,采用热固性预浸料的AFP 仍然需要手动放袋以及一个热压罐的固化步骤,因此不被认为是真正的增材制造。

创新者如Stratasys和Markforged已分别将短切的和连续的纤维添加到他们的2.5D 打印机中,显著改善了在二维中的性能,但第三维度仍然缺乏。

发展第三维度

经过这么多年,3D 打印行业正在意识到它忽略了第三维度。Stratasys 创造了其RC3D(机器人复合材料3D)技术,通过采用关节臂机器人,用挤出的短切纤维填充的热塑性塑料,将熔融沉积模型(简称“FDM”)扩展到三维。就像RC3D所做的一样,在负载路径的方向上放上低强度的短切纤维是一大进步,但用高性能连续纤维增强又会怎样呢?Arevo和Moi composites就这样做了——采用先进的机器人技术和FDM的创新变化,在3个维度上放置连续纤维,来打印高性能的3D复合材料结构。

三维打印的结构
三维打印的结构:Moi composites的连续纤维制造工艺采用紫外固化的热固性复合材料实现了三维结构的打印(图片来自Moi composites)

接近3D打印,一个小的成长中的研究团队一直在开发热塑性复合材料的原位固化工艺,从一开始,其目标就是采用连续纤维增强的热塑性复合材料进行增材制造。第三维度对于实现高性能原位固化结构的目标始终至关重要,而Automated Dynamics在大批量的生产中采用原位固化来制造高性能的热塑性复合材料部件已有30多年。经过这么多年的发展,增材制造和原位固化正在汇聚到最佳的工艺和结构上。

原位固化
原位固化:Automated Dynamics的原位固化工艺采用激光加热的热固性复合材料在3个维度上进行打印,获得的结构在所有的3个维度上都得到了连续纤维的增强(图片来自Automated Dynamics)

优化的结构

采用现代计算机和寻找最优解决方案的基因算法,每秒可以执行数十亿次的变化-选择-复制-重复,这正是用拓扑优化和衍生设计所要做的工作,以优化结构,从而获得最轻的重量、最大的强度。将这个过程看成是:从我们习惯的通过减法工艺(如CNC加工)生产的块状部件演变成通过增材制造生产的更加有机的结构,这是非常有趣的。其真正的优点是,采用增材制造生产这些优化的结构更加便宜,因为消除了复杂性,这意味着形状越复杂,打印的材料就越少,因此只需较少的时间和材料就能打印出一个拓扑优化的结构。Automated Dynamics和其他公司正在将此技术用于模具、芯核甚至复合材料结构的制造。

无模制造

更好的是,为什么不取消模具并在自由空间打印复合材料部件呢?这正是General Atomics正在开发的无模复合材料制造工艺的目标。其想法是,在熔融沉积或原位固化以及其他工艺中,利用机器人来放置复合材料,同步机器人充当模具,以在自由空间形成一种结构。这项技术还处于起步阶段,但显然是对未来复合材料制造的展望。

未来

很难作出预测,特别是对未来的预测。但能够预测的是,创新的年轻人的想法将建立在已经建立的强大的基础之上,并创造出我们今天无法想象的复合材料结构。

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