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复合材料增材制造技术方兴未艾
刘亚威

2017-05-22 | 聚焦

据制造工程杂志网站2017年5月10日刊文,不可能物体公司向市场推出了一项新的复合材料制造技术——基于复合材料的增材制造(CBAM)3D技术,生产碳纤维增强塑料(CFRP)或聚合物基复合材料(PMC)零件。CBAM工艺发明者从2D打印行业衍生出这个概念。

·打印然后压紧

CBAM工艺从一个CAD文件开始,以电子化方式将文件切片成层,使用位图层数据将图像打印到复合材料薄片上面。工艺使用非编织复合材料薄片作为建造材料。薄片包含长纤维,通体的纤维方向是随机的。

工艺将一个复合材料薄片输送到一个打印床,使用CAD文件切片层数据驱动喷墨打印头,将水一样的湿润流体沉积到薄片的表面以创建层图像。带有湿润图案的薄片继续移动到一个施粉末的台,一个顶部的槽向复合材料板不加选择地灌入厚度统一的热塑性塑料粉末。

接下来,载有粉末的薄片被输送到一个去除粉末的台,热塑性粉末粘结到润湿的薄片区域。薄片上松散的热塑性材料被吹掉并回收。热塑性材料在室温沉积和移除,对热塑性材料的化学性质没有改变,可能实现高水平的回收和材料重用。

打印好的薄片之后自动排列并堆叠在一个模具板上,直到组成CAD文件的所有薄片都被打印。载有所有已打印模具的薄片之后移动到一个加热的压印机上,选定的热塑性材料加热到熔化点,之后机械压紧为最终零件设计的高度。在机械压力工艺中,热塑性材料在非编织薄片的长纤维之间流动,以成形复合材料零件,而无需分离的制作模具、多制作步骤以及高技能的操作劳力。

零件移除是最终步骤。它通过珠光处理已建造块来恢复复合材料零件。珠光处理在没有热塑性材料的地方切断纤维,使其成为可持续工艺,非编织纤维可以被回收。

CBAM工艺拥有重要的建造柔性,因为广泛的复合材料和热塑性建造材料可用于制作PMC和CFRP零件。该系统可处理碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉复合材料薄片材料,以及许多热塑性基体材料。某些已使用的基体热塑性性材料包括高密度聚乙烯(HDPE)、尼龙6、尼龙12和PEEK材料。

以CBAM工艺制作的复合材料零件拥有20%的纤维容量,纤维容量比通过压紧控制。不可能物体公司当前的工作是继续提升碳纤维容量比,未来在更强的复合材料零件中达到接近40%。

CBAM零件的优势是它们与铝合金有相似的强质比,但是比铝合金零件轻50%。材料阿什比图显示拥有20%容量比的CBAM材料与聚合物和金属材料性能的比较。随着碳纤维容量比持续增长,红圈将移升至强度Y轴,一致地提升CBAM弯曲材料和比强度线。

·力学强度

一项研究显示与常规聚合物增材工艺相比,CBAM零件材料有显著的力学强度性能。强度性能增加的一个主要贡献因素由非编织纤维薄片的长纤维提供。绝大多数常规纤维增强塑料拥有长度小于50μm的短纤维。拥有长纤维的标准CBAM材料比常规增材聚合物工艺强2-10倍。CBAM材料有最高的抗拉模量,强度是拥有接近模量的另一增材材料的2倍。

最近一个财富500强进行的研究评估了一个验证件的特征细节和表面光洁度,发现CBAM零件拥有非常好的表面光洁度特征和尖缘细节、几何公差以及生产薄壁的能力,并且与其它常规增材制造工艺相比,不会产生零件翘曲。

许多后精整工艺,如加工、整体研磨和手工磨砂,可用于将CBAM零件抛光到想要的表面光洁度。CBAM零件可以抛光到20微英寸的表面光洁度Ra。

任何新制造材料和工艺的挑战是满足对一个特定应用的技术和商业需求。如何识别适当的应用可以利用CBAM材料性能?一个低风险方法是评估不同类型的装配和制作模具。

在绝大所属案例中,模具是首个技术植入点之一,使用增材制造以极大节省的成本和进度产生同等的模具性能。

近期CFRP模具家族的CBAM案例包括复杂外形复合材料铺放模具和垫板、250°C使用温度的高温模具、金属成形模具以及高强装配工装。

·模具试验

2016年,橡树岭国家实验室制造验证设施(MDF)对由碳纤维和PEEK基体制作的CBAM热压罐复合材料模具进行了试验。这些模具在极高压强(6.89MPa)下循环升至150°C。它们保持非常好的几何零件控制、热压罐生存性,并且比标准金属复合材料铺放模具的热膨胀系数(CTE)要低。

首批接受CBAM零件的行业来自无人系统、机器人和电子行业。材料性能与相似的强质比以及比铝轻50%的结构,使其有更高的载荷和延长的使用时间——对一个无人系统来说是关键的产品性能优势。

激光飞行科学公司使用选区激光烧结(SLS)3D打印工艺制造无人机尼龙安装片,将后水平安定面连接至无人机机体。

SLS安装片在无人机硬着陆时频繁断裂。这是因为SLS材料强度性能和刚度缺乏。为解决这个问题,SLS零件被由碳纤维和尼龙12机体材料制作的CBAM替换。

某些利用CBAM技术的设计和建造自由度的新兴应用是制作集成的整体结构,如无人机翼型。它们描绘了诸如芯和筋这样的内部结构如何集成为单个零件。这允许设计人员改变特征细节和零件壁厚,面向强度、质量和最终性能对结构进行最优化。

未来感兴趣的将CBAM技术实现不同材料的建造组合。使用单向碳纤维材料将极大增加零件强度和刚度达3-6倍,增加了许多热塑性机体材料的选择,以及其它机体材料的使用潜力。使用诸如热固性环氧和粉末金属合金材料生产热固性零件或金属基复合材料(MCC)的能力将开启激动人心的新机遇。

除了扩展材料建造组合的范围,CBAM技术将继续升级以制作更大尺寸的零件,并利用牢靠的打印技术实现与传统制造方法类似的建造速度。结果将是进一步增强该技术在其它行业中的新型复合材料应用。

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