取代還是融合？當(dāng)傳統(tǒng)復(fù)材成型工藝遇到3D打印后的創(chuàng)新路徑
時(shí)間：2024-03-19 09:20 來(lái)源：INTAMSYS 遠(yuǎn)鑄智能 作者：admin 閱讀：次
復(fù)合材料的性能與金屬材料相比具有高比強(qiáng)度、高比模量、設(shè)計(jì)自由度更高、易于整體成型以及輕量化等優(yōu)良特性。然而傳統(tǒng)的復(fù)合材料成型工藝（如纏繞、模壓、拉擠、熱壓罐、樹(shù)脂傳遞模塑等）均存在復(fù)雜結(jié)構(gòu)難以成型，開(kāi)發(fā)前期需要開(kāi)模等工序，嚴(yán)重影響了產(chǎn)研前期研發(fā)進(jìn)度。探索3D打印技術(shù)制造復(fù)合材料已經(jīng)成為一種新的技術(shù)趨勢(shì)，有望突破傳統(tǒng)復(fù)合材料成型的限制，帶來(lái)復(fù)合材料制件領(lǐng)域成本大幅度降低和時(shí)間大幅度縮短的變革。
高性能復(fù)合材料3D打印通常涉及短/長(zhǎng)纖維增強(qiáng)尼龍（PA）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK）、聚醚酰亞胺（PEI）等材料。FDM擠出3D打印工藝是復(fù)合材料產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要選擇。
產(chǎn)研新材料研究院（德州）有限公司，成立于2021年1月，是一家專注于海洋用復(fù)合材料、5G通訊用復(fù)合材料、先進(jìn)復(fù)合材料成型工藝及高端裝備等領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)與成果轉(zhuǎn)化的山東省級(jí)“新型研發(fā)機(jī)構(gòu)”。通過(guò)與高性能材料工業(yè)FDM 3D打印解決方案廠家遠(yuǎn)鑄智能合作，雙方共同開(kāi)拓出兩條將3D打印技術(shù)用于復(fù)合材料產(chǎn)品零件開(kāi)發(fā)應(yīng)用的路徑。
3D打印直接制造替代傳統(tǒng)復(fù)合材料成型工藝
為某飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)進(jìn)氣歧管，是產(chǎn)研新材料研究院此前的一項(xiàng)重要項(xiàng)目。進(jìn)氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其性能直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能。進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在著模具制作難度大、成本高，后續(xù)振動(dòng)焊接工藝繁瑣，工期較長(zhǎng)等問(wèn)題，嚴(yán)重影響到產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率。
為解決這些問(wèn)題，德州產(chǎn)研新材料研究院首次嘗試采用FDM 3D打印技術(shù)直接制造。對(duì)不同品牌的FDM 3D打印設(shè)備進(jìn)行了材料性能、設(shè)備能力、服務(wù)支持等多方面的調(diào)研和評(píng)估后，最終選擇了遠(yuǎn)鑄智能的FUNMAT PRO 610HT 3D打印機(jī)和PEEK-CF復(fù)合材料進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應(yīng)用。
FUNMAT PRO 610HT作為一款高性能材料FDM打印設(shè)備，主要用于打印PEEK、ULTEM、PPSU等高溫高性能熱塑性材料，能夠滿足市面上絕大多數(shù)熱塑性材料的打印需求，甚至包括用戶自研材料。其恒溫腔室在打印高性能材料時(shí)表現(xiàn)出色，設(shè)備噴頭加熱溫度可高達(dá)500℃，成型腔室溫度可達(dá)到300℃，熔融絕大多數(shù)高分子材料的同時(shí)保證了高溫材料的無(wú)翹曲打印。
最終部件的三維尺寸為218.4×216.4×95.4mm，通過(guò)德州產(chǎn)研院的專家和遠(yuǎn)鑄智能的工藝工程師共同開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（DfAM），調(diào)整打印工藝，可實(shí)現(xiàn)如下優(yōu)化：
減重30%
最終打印產(chǎn)品的壁厚最薄至1.7mm，而傳統(tǒng)的注塑進(jìn)氣歧管產(chǎn)品厚度約3mm，有效降低飛行器自身重量。
滿足安裝精度±0.2mm
零件的尺寸精度控制在±0.2mm范圍內(nèi)，充分滿足了進(jìn)氣歧管的安裝精度要求。
力學(xué)強(qiáng)度提高30%
產(chǎn)品的力學(xué)強(qiáng)度達(dá)到100MPa，較傳統(tǒng)注PA66-GF產(chǎn)品提高30%以上。
耐高溫144℃
該款產(chǎn)品具有優(yōu)異的耐高溫性能，用戶長(zhǎng)期在144℃下穩(wěn)定使用無(wú)變形，極大提高了應(yīng)用上限。
在制造效益方面，該零件如果采用傳統(tǒng)注塑工藝進(jìn)行開(kāi)發(fā)，模具費(fèi)用在20萬(wàn)元左右，開(kāi)模周期45天。而采用3D打印技術(shù)，該產(chǎn)品一體成型，成本僅為傳統(tǒng)工藝的十分之一，只需4-7天的生產(chǎn)周期。
傳統(tǒng)工藝融合3D打印復(fù)合材料制造的新形式
3D打印除了直接制造復(fù)合材料部件，還可以通過(guò)與傳統(tǒng)工藝結(jié)合，橫向打通兩項(xiàng)技術(shù)之間的壁壘，攻克傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的難題，則可以實(shí)現(xiàn)性能、成本、時(shí)間上的最優(yōu)解以及價(jià)值最大化。基于該種創(chuàng)新目的，產(chǎn)研新材料研究院與國(guó)內(nèi)某頂尖高校合作，開(kāi)發(fā)了機(jī)器人復(fù)合材料機(jī)械臂。
雙方首先借助FUNMAT PRO 610HT 3D打印PEEK-CF材料一體成型了機(jī)械臂的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，該部件結(jié)構(gòu)具有大尺寸、曲面、高比剛度、高比強(qiáng)度的特點(diǎn)，充分體現(xiàn)了打印設(shè)備對(duì)高性能復(fù)雜構(gòu)件的制造能力。
之后，產(chǎn)研新材料研究院使用預(yù)浸料鋪放方式在3D打印結(jié)構(gòu)外面包覆碳纖維，最終以快速、低成本且免開(kāi)模具的方式制造出了輕量化程度高、機(jī)械強(qiáng)度高的復(fù)合材料機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)了與鋁合金媲美的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度效果。
3D打印工藝除可與預(yù)浸料鋪放工藝相結(jié)合外，還存在更大的想象空間，可與傳統(tǒng)的纏繞工藝、自動(dòng)鋪放工藝、模壓工藝等多種技術(shù)相結(jié)合。
總的來(lái)說(shuō)，3D打印在產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)直接制造及融合傳統(tǒng)工藝上都實(shí)現(xiàn)了突破，為提高復(fù)合材料產(chǎn)品制造效率、降低制造成本做出巨大貢獻(xiàn)。通過(guò)與遠(yuǎn)鑄的合作，產(chǎn)研新材料研究院展示了其在工程創(chuàng)新領(lǐng)域的實(shí)力，同時(shí)也證明了3D打印技術(shù)在復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造和應(yīng)用開(kāi)發(fā)中的巨大潛力。
高性能復(fù)合材料3D打印通常涉及短/長(zhǎng)纖維增強(qiáng)尼龍（PA）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK）、聚醚酰亞胺（PEI）等材料。FDM擠出3D打印工藝是復(fù)合材料產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要選擇。
△INTAMSYS 3D打印聚合物性能金字塔
產(chǎn)研新材料研究院（德州）有限公司，成立于2021年1月，是一家專注于海洋用復(fù)合材料、5G通訊用復(fù)合材料、先進(jìn)復(fù)合材料成型工藝及高端裝備等領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)與成果轉(zhuǎn)化的山東省級(jí)“新型研發(fā)機(jī)構(gòu)”。通過(guò)與高性能材料工業(yè)FDM 3D打印解決方案廠家遠(yuǎn)鑄智能合作，雙方共同開(kāi)拓出兩條將3D打印技術(shù)用于復(fù)合材料產(chǎn)品零件開(kāi)發(fā)應(yīng)用的路徑。
3D打印直接制造替代傳統(tǒng)復(fù)合材料成型工藝
為某飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)進(jìn)氣歧管，是產(chǎn)研新材料研究院此前的一項(xiàng)重要項(xiàng)目。進(jìn)氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其性能直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能。進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在著模具制作難度大、成本高，后續(xù)振動(dòng)焊接工藝繁瑣，工期較長(zhǎng)等問(wèn)題，嚴(yán)重影響到產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率。
為解決這些問(wèn)題，德州產(chǎn)研新材料研究院首次嘗試采用FDM 3D打印技術(shù)直接制造。對(duì)不同品牌的FDM 3D打印設(shè)備進(jìn)行了材料性能、設(shè)備能力、服務(wù)支持等多方面的調(diào)研和評(píng)估后，最終選擇了遠(yuǎn)鑄智能的FUNMAT PRO 610HT 3D打印機(jī)和PEEK-CF復(fù)合材料進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應(yīng)用。
△FUNMAT PRO 610HT 3D打印進(jìn)氣歧管及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
FUNMAT PRO 610HT作為一款高性能材料FDM打印設(shè)備，主要用于打印PEEK、ULTEM、PPSU等高溫高性能熱塑性材料，能夠滿足市面上絕大多數(shù)熱塑性材料的打印需求，甚至包括用戶自研材料。其恒溫腔室在打印高性能材料時(shí)表現(xiàn)出色，設(shè)備噴頭加熱溫度可高達(dá)500℃，成型腔室溫度可達(dá)到300℃，熔融絕大多數(shù)高分子材料的同時(shí)保證了高溫材料的無(wú)翹曲打印。
最終部件的三維尺寸為218.4×216.4×95.4mm，通過(guò)德州產(chǎn)研院的專家和遠(yuǎn)鑄智能的工藝工程師共同開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（DfAM），調(diào)整打印工藝，可實(shí)現(xiàn)如下優(yōu)化：
減重30%
最終打印產(chǎn)品的壁厚最薄至1.7mm，而傳統(tǒng)的注塑進(jìn)氣歧管產(chǎn)品厚度約3mm，有效降低飛行器自身重量。
滿足安裝精度±0.2mm
零件的尺寸精度控制在±0.2mm范圍內(nèi)，充分滿足了進(jìn)氣歧管的安裝精度要求。
力學(xué)強(qiáng)度提高30%
產(chǎn)品的力學(xué)強(qiáng)度達(dá)到100MPa，較傳統(tǒng)注PA66-GF產(chǎn)品提高30%以上。
耐高溫144℃
該款產(chǎn)品具有優(yōu)異的耐高溫性能，用戶長(zhǎng)期在144℃下穩(wěn)定使用無(wú)變形，極大提高了應(yīng)用上限。
△FUNMAT PRO 610HT
在制造效益方面，該零件如果采用傳統(tǒng)注塑工藝進(jìn)行開(kāi)發(fā)，模具費(fèi)用在20萬(wàn)元左右，開(kāi)模周期45天。而采用3D打印技術(shù)，該產(chǎn)品一體成型，成本僅為傳統(tǒng)工藝的十分之一，只需4-7天的生產(chǎn)周期。
傳統(tǒng)工藝融合3D打印復(fù)合材料制造的新形式
3D打印除了直接制造復(fù)合材料部件，還可以通過(guò)與傳統(tǒng)工藝結(jié)合，橫向打通兩項(xiàng)技術(shù)之間的壁壘，攻克傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的難題，則可以實(shí)現(xiàn)性能、成本、時(shí)間上的最優(yōu)解以及價(jià)值最大化。基于該種創(chuàng)新目的，產(chǎn)研新材料研究院與國(guó)內(nèi)某頂尖高校合作，開(kāi)發(fā)了機(jī)器人復(fù)合材料機(jī)械臂。
雙方首先借助FUNMAT PRO 610HT 3D打印PEEK-CF材料一體成型了機(jī)械臂的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，該部件結(jié)構(gòu)具有大尺寸、曲面、高比剛度、高比強(qiáng)度的特點(diǎn)，充分體現(xiàn)了打印設(shè)備對(duì)高性能復(fù)雜構(gòu)件的制造能力。
△機(jī)器人復(fù)合材料機(jī)械臂切片圖
之后，產(chǎn)研新材料研究院使用預(yù)浸料鋪放方式在3D打印結(jié)構(gòu)外面包覆碳纖維，最終以快速、低成本且免開(kāi)模具的方式制造出了輕量化程度高、機(jī)械強(qiáng)度高的復(fù)合材料機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)了與鋁合金媲美的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度效果。
△預(yù)浸料鋪放后機(jī)械臂成品件
3D打印工藝除可與預(yù)浸料鋪放工藝相結(jié)合外，還存在更大的想象空間，可與傳統(tǒng)的纏繞工藝、自動(dòng)鋪放工藝、模壓工藝等多種技術(shù)相結(jié)合。
總的來(lái)說(shuō)，3D打印在產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)直接制造及融合傳統(tǒng)工藝上都實(shí)現(xiàn)了突破，為提高復(fù)合材料產(chǎn)品制造效率、降低制造成本做出巨大貢獻(xiàn)。通過(guò)與遠(yuǎn)鑄的合作，產(chǎn)研新材料研究院展示了其在工程創(chuàng)新領(lǐng)域的實(shí)力，同時(shí)也證明了3D打印技術(shù)在復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造和應(yīng)用開(kāi)發(fā)中的巨大潛力。
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