據(jù)compositesworld網(wǎng)站2019年5月19日刊文,連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的3D打印技術(shù)正在得到不斷發(fā)展。自Markforged公司于2014年宣布推出Mark One連續(xù)纖維3D打印機以來,已經(jīng)出現(xiàn)了許多新的公司和開發(fā)項目。荷蘭CEAD公司就開發(fā)了自己的連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù)。
·在一次打印中使用和不使用連續(xù)纖維進行打印
CEAD公司由Lucas Janssen與Logtenberg一起創(chuàng)立。Logtenberg表示:“我們?yōu)檫@個行業(yè)制作了許多不同的3D打印機,我正在調(diào)查市場,并感覺缺少適合真正工業(yè)應(yīng)用的大規(guī)模材料打印。與單獨使用熱塑性塑料相比,你需要更多的強度。因此,我們開發(fā)了自己的專利技術(shù)。”“我們?nèi)匀恍枰褂枚汤w維和不用纖維來打印。”這就是為什么CEAD的連續(xù)纖維增材制造(CFAM)技術(shù)能夠使用連續(xù)纖維進行打印,并在同一過程中直接擠出未增強或短纖維增強的顆粒。“我們不需要更換打印頭,我們將連續(xù)纖維放在熔體中間,因此兩者同時擠出。但他們使用不同的驅(qū)動系統(tǒng)。連續(xù)纖維被推過打印頭但預(yù)先浸漬以確保質(zhì)量。“Logtenberg表示,注塑和包塑復(fù)合材料以及壓塑直接長纖維熱塑性(DLFT)復(fù)合材料已經(jīng)成為標準,直接擠出顆粒/粒狀材料對工業(yè)生產(chǎn)來說更便宜。“這些材料必須在預(yù)打印前進行干燥,我們開發(fā)了自己的干燥機,它與CFAM機床相連。”
與包塑成型的熱塑性復(fù)合材料類似,對于每次打印,在預(yù)浸漬的連續(xù)長絲和未增強的或短纖維增強的直接擠出材料中使用相同的聚合物。該公司已經(jīng)加工了多種聚合物,包括ABS、PC、PEEK、PET、PLA和PP。他們正在探索PEKK和低熔點PAEK。
·加熱區(qū)和龍門架與機器人
目前,CEAD公司提供具有四個加熱區(qū)的機器人擠出機,以及基于龍門的CFAM Prime機器,在擠出機中具有4×2×1.5米的構(gòu)建體積和10個加熱區(qū)。“我們在2017年開始開發(fā),打印頭基于通常與注塑成型一起使用的單螺桿擠出機。你需要逐漸加熱材料不同區(qū)域,以便可以施加所需的大量壓力(50-60巴)來擠出這么多材料。顆粒被轉(zhuǎn)移到桶中,在那里熔化,然后壓縮并推動它們。如果加熱太快,擠出機中不會產(chǎn)生壓力。”
為什么單獨出售擠出機/打印頭?Logtenberg表示:“客戶還想要一個較小的機械臂擠出機來制造自己的機床,但不使用連續(xù)纖維,只需直接擠出。”那為什么要用CFAM Prime的龍門架呢? 是因為精度和速度。“機器人確實擅長提供相對精度,但是他們從A點到達B點的方式是不準確的。通過3D打印,你必須持續(xù)精確地移動,以創(chuàng)建高質(zhì)量的成品件。”“另一個問題是速度,”他繼續(xù)道。 “我們希望工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量高,而且分辨率高。 使用我們的擠出機的機械臂可以以4米/分鐘的速度移動,這對于機器人來說非???,但是龍門機可以以60米/分鐘的速度移動。
龍門架提供了速度,不過機械臂上的擠出機仍然提供多軸打印。“我們感興趣的是使用多軸打印來克服當前的z方向的性能挑戰(zhàn)(典型的切片打印)。我們首先開發(fā)了龍門架系統(tǒng),但現(xiàn)在西門子推出了一種新的控制系統(tǒng),可在機械臂上提供相同的控制。所以我們正在開發(fā)5軸機床,龍門架系統(tǒng)仍然更快,但這個新系統(tǒng)提供真正的多軸鋪放。”公司設(shè)想結(jié)合兩個系統(tǒng),開發(fā)類似于5軸數(shù)控銑床配置的機床。
·冷卻和控制
3D打印中的一個問題是控制塑料基體的收縮。盡管CFAM Prime最初使用紅外(IR)加熱管理來自熱感攝像頭的輸入,但Logtenberg承認該系統(tǒng)在打印復(fù)雜形狀時會產(chǎn)生不均勻的加熱。 “我們?nèi)匀皇褂梅忾]的印刷艙,現(xiàn)在正在開發(fā)一種加熱的打印床。這將提供更均勻的熱量,我們?nèi)詫⑹褂脽岣袛z像頭監(jiān)測和管理系統(tǒng)。如果兩次打印相同的部件相隔六個月,打印艙內(nèi)的溫度曲線和條件也將相同。”
Logtenberg指出,CFAM Prime擠出的材料非常多,其中含有大量能量。“因此,很難快速冷卻它以使打印穩(wěn)定。人們想要冷卻打印層以使它們在打印時保持穩(wěn)定。”這種冷卻是如何實現(xiàn)的?“使用強制通風,很多空氣。”他指出,在打印床和封閉的印刷艙中加熱是控制翹曲的一部分。“要在冷卻層之上鋪放熱層。但是最好將材料保持在其Tg以上,對于某些材料來說超過150°C,因為它在上面打印時是穩(wěn)定的。”即使采用這種工藝,Logtenberg也注意到零件中總會存在一些熱應(yīng)力。“你可以做一些后處理步驟來消除部分應(yīng)力。”
CEAD使用西門子系統(tǒng)來控制其機床。Logtenberg解釋道:“它們能夠應(yīng)對工藝和材料方面的復(fù)雜挑戰(zhàn)。” CEAD在西門子系統(tǒng)下編寫了自己的軟件,以提供簡單的用戶界面。他指出,“機器采用G代碼運行,這也是工業(yè)銑床使用的標準,這為零件編程提供了自由。它可以使用開源切片機,也可以使用西門子NX,這是一款功能強大的軟件工具。”
Logtenberg說客戶可以選擇他/她想要的復(fù)雜程度。“我們的方法非常開源,可以使用不同類型的打印軟件。因此,如果客戶想要非常簡化的打印,只需按一下按鈕即可,但也可以使用更高級的軟件。不過,客戶必須具備如何使用它的知識。我們的愿景是讓人們決定他們想要使用什么,然后我們支持他們。”Logtenberg指出,CEAD正在向企業(yè)銷售,而不是向消費者銷售。(是2B而不是2C)“因此我們有能力提供更多支持。”
·打印的零件和性能
Logtenberg指出:“你可以感受到用連續(xù)纖維打印的零件與用短切纖維打印的零件之間的差異,但我們還沒有測試過性能。”這是下一個任務(wù),現(xiàn)在機床開發(fā)和初始啟動已經(jīng)完成。 “今年我們將致力于對材料進行全面表征,并為每種材料組合制作具有抗壓強度、剛度等的數(shù)據(jù)表。”
確定孔隙含量和纖維容量也是這種表征工作的一部分。Logtenberg承認:“我們的纖維含量目前并不高,如果你使用的是短切纖維顆粒,你可以得到30%重量的纖維。添加連續(xù)光纖只會增加10%,因為總產(chǎn)量和體積都很大。”
壓實減少孔隙含量怎么樣?“噴嘴本身會壓縮打印層。你必須擁有正確的層高與寬度。如果你控制得力,你會在各層之間獲得良好的附著力。“他解釋說,高度與寬度的比例應(yīng)該在正確的范圍內(nèi),以允許在打印層中的壓縮力和足夠的熱量,以在層中實現(xiàn)良好的熔融。“例如,在5毫米高,5毫米寬的打印層中,幾乎沒有壓縮力。對于5毫米高的層,你需要10毫米的寬度。”
Logtenberg表示,CEAD不斷改進CFAM Prime的打印質(zhì)量。“我們已經(jīng)開發(fā)了許多用于動態(tài)打印的內(nèi)部軟件。由于擠出機推出材料而機床必須減速以轉(zhuǎn)向,所以還存在一些問題。 “我們現(xiàn)在已經(jīng)解決了這個問題。我們繼續(xù)使用傳感器、動力學和層溫來開發(fā)跟蹤措施,以改善過程控制。“
·未來的愿景
傳統(tǒng)復(fù)合材料行業(yè)中的許多人質(zhì)疑,3D打印的連續(xù)纖維復(fù)合材料具有如此低的纖維含量和如此高的打印層之間的分層可能性,如何與傳統(tǒng)復(fù)合材料競爭。Logtenberg對此表示贊同。 “當然,z方向強度是3D打印復(fù)合材料最具挑戰(zhàn)性的因素之一。我們目前沒有與傳統(tǒng)復(fù)合材料競爭。我們相信,未來我們將能夠與傳統(tǒng)復(fù)合材料競爭,因為我們的生產(chǎn)完全自動化,但我們還有很長的路要走。目前,它是當前制造方法的補充,提供了靈活性和開放式設(shè)計以及生產(chǎn)可能性。”