大型復(fù)合材料部件的3D打印+模壓成型：為實現(xiàn)高性能的大型3D打印復(fù)合材料部件的大批量生產(chǎn)，美國橡樹嶺國家實驗室開發(fā)了一種名為AMCM的系統(tǒng)，該系統(tǒng)組合了機(jī)器人、基于擠出的3D打印機(jī)和模壓成型設(shè)備。第一個試驗案例是此圖所示的螺旋槳葉片，最終的應(yīng)用目標(biāo)是能夠生產(chǎn)汽車電池盒及其他高產(chǎn)量的復(fù)雜形狀的產(chǎn)品

 

    在美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）11萬平方英尺的生產(chǎn)示范工廠（MDF）中，安裝了一個美國能源部（DOE）的用戶設(shè)施，專門用于在制造、機(jī)器人和模擬（包括復(fù)合材料）等眾多領(lǐng)域開展早期的研發(fā)工作。

 

    其中的一項創(chuàng)新是ORNL與辛辛那提公司（美國俄亥俄州Harrison）合作開發(fā)并商業(yè)化的大型增材制造（BAAM）大幅面3D打印機(jī)。一直以來，大型增材制造主要被用于制造基礎(chǔ)設(shè)施、航空和汽車等領(lǐng)域所需的模具，以及機(jī)床機(jī)座、船舶結(jié)構(gòu)等最終用途的部件。

 

    傳統(tǒng)上，大幅面增材制造的一個限制因素是，3D打印容易生產(chǎn)出表面粗糙不規(guī)則及孔隙率較高的部件，因而阻礙了增材制造在許多高性能最終用途部件生產(chǎn)中的應(yīng)用。為了降低孔隙率，商業(yè)上已通過增加二次加工步驟如模壓成型的方式作過多次努力。在過去的兩年里，一個 ORNL的團(tuán)隊一直致力于開發(fā)自己的可擴(kuò)展兩步法工藝，以期消除大批量生產(chǎn)的大幅面終端用途部件中的孔隙，同時確保每個部件的生產(chǎn)周期不超過2.5分鐘。

 

    ORNL開發(fā)的工藝名為AMCM（增材制造+模壓成型），它將一臺采用機(jī)器人的擠出打印機(jī)與隨后的模壓成型步驟集于一體。

 

    AMCM 工藝的開發(fā)已有兩年多，該團(tuán)隊最初采用MDF現(xiàn)有的大幅面BAAM打印機(jī)和模壓機(jī)初步證明了該工藝組合的優(yōu)勢，如最終部件擁有較低的孔隙率。但是，打印機(jī)和模壓機(jī)彼此并不挨著，雖然兩機(jī)之間距離不算遠(yuǎn)，但在模壓成型前必須在帶式爐上增加一個再加熱的步驟，以使預(yù)成型件重新軟化，達(dá)到模壓成型所需的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。然而，每個部件多預(yù)熱5～6分鐘，就會顯著增加總的循環(huán)時間，使得每個部件總的生產(chǎn)節(jié)拍達(dá)到8～9分鐘。

 

    因此，他們發(fā)現(xiàn)，需要一個能將增材制造與模壓成型組合成一個系統(tǒng)的專用的生產(chǎn)單元，以此來證明這項技術(shù)可以用于大批量的生產(chǎn)環(huán)境。

 

    為了縮短這項技術(shù)的生產(chǎn)循環(huán)時間，ORNL提出了目前的AMCM生產(chǎn)單元這一概念，它于2021年11月被安裝完成。該生產(chǎn)單元包括安裝于六軸KUKA機(jī)器人手臂上的擠出打印頭、一臺500噸模壓機(jī)和一個材料干燥系統(tǒng)，打印機(jī)每小時可以沉積多達(dá)150磅的材料。

 

ORNL于2021年秋季建成的實驗室規(guī)模的AMCM單元組合了機(jī)器人、基于擠出的3D打印機(jī)和一臺模壓機(jī)，用于測試該系統(tǒng)的性能極限（圖片來自O(shè)RNL）

 

    在AMCM單元中生產(chǎn)部件時，首先直接在模具上擠出部件形狀，從而獲得一個三維訂制的預(yù)成型件。該預(yù)成型件通過傳送帶直接進(jìn)入壓機(jī)，即刻成型。在材料的熔化溫度或稍高于熔化溫度的條件下擠出材料，AMCM 單元的設(shè)計允許預(yù)成型件在材料溫度降至其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下之前到達(dá)壓機(jī)進(jìn)行模壓成型。

在模具中打?。簽榱丝s短循環(huán)時間，AMCM 系統(tǒng)直接在模具中打印，打印好的預(yù)成型件將通過傳送帶進(jìn)入壓機(jī)（圖片來自O(shè)RNL）

 

 

    該團(tuán)隊利用AMCM單元演示生產(chǎn)了一個20%碳纖維增強(qiáng)ABS的簡單平板，完成打印、壓制和干燥過程的總循環(huán)時間是2.5分鐘。此外，AMCM單元還演示生產(chǎn)了其他的平面部件，如無人機(jī)螺旋槳。

 

    該團(tuán)隊希望安裝在機(jī)器人手臂上的打印機(jī)可以打印尺寸相對較大或形狀復(fù)雜的部件，而目前實驗室規(guī)模的系統(tǒng)僅限于在500噸的壓機(jī)上安裝41英寸×48英寸的模具，而且，目前使用的模具是不加熱的，但如果要打印更大的部件，可能需要加熱模具，以確保3D打印的預(yù)成型件不會過快地冷卻下來，以及在打印及轉(zhuǎn)移到壓機(jī)中的過程中溫度能夠保持在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上。需要注意的是，使用加熱的模具時，目前的參數(shù)如擠出溫度會發(fā)生變化，在這種情況下，不必?fù)?dān)心材料會很快冷卻下來。

 

    該單元的最初演示集中在生產(chǎn)單一材料的平面部件，以測試該系統(tǒng)的速度和性能，但該團(tuán)隊的最終目標(biāo)是能夠打印更復(fù)雜的非平面形狀和多材質(zhì)的部件，可以使用包括玻璃纖維增強(qiáng)ABS和玻璃纖維增強(qiáng)尼龍之類的材料。

 

    這種方法的優(yōu)勢是，與傳統(tǒng)的注射成型或擠壓成型（ECM）工藝相比，可以制造出孔隙率低于1.5%的部件。該團(tuán)隊還在整合3D打印的纖維控制，以使纖維順著打印珠的方向排列，從而獲得模壓成型的低孔隙率。

 

    據(jù)說，該加工過程高度受控，基本上消除了所有的孔隙，實現(xiàn)了聚焦纖維的取向和排列。

    第一個測試案例：無人機(jī)螺旋槳葉片。ORNL希望其AMCM 單元能夠大批量地生產(chǎn)商業(yè)化的部件，可能是大型部件。作為第一個測試案例，技術(shù)人員們制造了一系列用于無人機(jī)的碳纖維增強(qiáng)熱塑性螺旋槳葉片（圖片來自O(shè)RNL）

 

    雖然現(xiàn)在安裝在MDF的AMCM單元是一個實驗室規(guī)模的系統(tǒng)，但據(jù)說它易于擴(kuò)展成生產(chǎn)規(guī)模的設(shè)施，并可實現(xiàn)數(shù)字化、數(shù)字化設(shè)計和自動化。

 

    該團(tuán)隊希望可以采用這項工藝大批量地生產(chǎn)汽車和城市空中交通等領(lǐng)域所需的下一代復(fù)合材料部件，如電池盒或座椅靠背，以及無人機(jī)螺旋槳等。完全優(yōu)化后，預(yù)計該系統(tǒng)每小時能生產(chǎn)120個部件。

 

 

    AMCM 工藝是MDF的主要創(chuàng)新之一，但不是MDF正在開發(fā)的唯一的復(fù)合材料3D打印創(chuàng)新?？傮w而言，3D打印始終是ORNL關(guān)注的一大核心領(lǐng)域，包括正在進(jìn)行的采用其BAAM打印機(jī)實現(xiàn)的多材料打印、采用泡沫的打印、采用生物基再生纖維或天然纖維的打印以及將電線打印到3D打印部件的中心等。

 

    在MDF，還安裝了第一個實驗室版本的反應(yīng)增材制造（RAM）打印機(jī)。這是一臺大幅面的熱固性復(fù)合材料3D打印機(jī)，它由ORNL與美國田納西州諾克斯維爾的Magnum Venus Products公司（簡稱MVP）合作開發(fā)，并采用美國Polynt公司的樹脂進(jìn)行打印，目前正在 MVP 附近的諾克斯維爾工廠中以商業(yè)化的形式進(jìn)行開發(fā)和銷售。

 

     在MDF，ORNL繼續(xù)優(yōu)化材料的流動性能，采用RAM系統(tǒng)構(gòu)建示范部件。利用RAM打印機(jī)開展的其他研究包括與MVP合作的一個項目，即將RAM打印系統(tǒng)與一臺MVP的實驗室規(guī)模的纖維纏繞機(jī)整合在一起，并安裝在MDF。該項目還涉及使用RAM打印機(jī)打印示范件，然后在固化的3D打印部件周圍纏繞纖維，以此通過添加材料來加強(qiáng)部件。ORNL還在與波音公司合作一個項目，即采用RAM 系統(tǒng)3D打印模具。

利用Magnum Venus Products公司的設(shè)備，ORNL 的研究人員們探索將纖維纏繞（提供抗壓強(qiáng)度）整合到3D打?。ǐ@得復(fù)雜的形狀）的部件上

 

 

    與美國Orbital Composites公司合作，ORNL還在尋求優(yōu)化多材料的機(jī)器人3D打印技術(shù)。研究人員們正在努力使該系統(tǒng)（能夠打印熱塑性或熱固性的長絲）能夠在非平面表面的頂部進(jìn)行更準(zhǔn)確的打印，以及將連續(xù)纖維打印到熱塑性不連續(xù)纖維部件的頂部。為此，ORNL正在開展材料原料的研究，而Orbital旨在完善機(jī)器和配套的軟件。正在開發(fā)的應(yīng)用包括無人機(jī)部件、模具、汽車和風(fēng)力發(fā)電機(jī)部件。

Orbital Composites公司與ORNL合作開發(fā)新的熱固性和熱塑性材料，用于其機(jī)器人3D打印系統(tǒng)，幾臺測試機(jī)器已安裝在MDF

 

 

    采用和不采用3D打印，MDF目前正活躍于眾多的復(fù)合材料領(lǐng)域，包括用于極端環(huán)境如空間再入結(jié)構(gòu)和核反應(yīng)堆的碳-碳材料。比如，Orbital Composites公司正在ORNL的MDF嘗試3D打印碳-碳材料的火箭噴管。ORNL還在研究碳-碳材料的模具，其優(yōu)點是具有接近零的熱膨脹系數(shù)。與項目合作伙伴美國桑迪亞國家實驗室的另一項合作, 致力于將碳-碳和陶瓷基復(fù)合材料（CMC）用于國防和航空航天領(lǐng)域。

 

    由ORNL的高級研發(fā)科學(xué)家Soydan Ozcan博士領(lǐng)導(dǎo)的生物基材料的開發(fā)也是一個重點，尤其是用于3D打印的生物原料。ORNL與緬因大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料中心緊密合作，開發(fā)纖維素納米纖維（CNF），以及利用各種生產(chǎn)工藝來應(yīng)用這些材料。在與緬因大學(xué)合作的一個試驗項目中，他們在緬因大學(xué)的一臺構(gòu)建面積60英尺×22英尺的LFAM打印機(jī)上，采用CNF材料制成了兩副模具，用于生產(chǎn)100英尺長的7片海上風(fēng)機(jī)葉片。在此項目中，ORNL完成了材料和設(shè)備的開發(fā)。

 

    另一個專注于可持續(xù)性的團(tuán)隊正在研究實驗室規(guī)模的回收方法，用于回收包括風(fēng)機(jī)葉片在內(nèi)的復(fù)合材料部件。在此使用的系統(tǒng)是利用一臺粉碎機(jī)和水刀切割機(jī)來探索加工/粉碎報廢部件的新方法?；厥赵倮玫陌咐矔玫皆u估，比如，將回收切碎的材料混入3D 打印的粒料中，然后送回BAAM打印機(jī)中進(jìn)行打印。

專注于可持續(xù)性：ORNL為回收報廢部件而開發(fā)的解決方案包括用水刀切割風(fēng)機(jī)葉片（圖示），粉碎后通過3D打印或其他工藝進(jìn)行再利用

 

    距離MDF 30分鐘的車程，美國能源部設(shè)立在ORNL的碳纖維技術(shù)設(shè)施（CFTF）運(yùn)行著一條全范圍的碳纖維生產(chǎn)線，使技術(shù)人員們能夠試驗并優(yōu)化碳纖維生產(chǎn)的各個方面以及從生產(chǎn)線上下來的碳纖維的性能。一臺BAAM打印機(jī)和拉擠系統(tǒng)能夠立即采用新制成的纖維制造部件。正在開展的研究還包括采用煤制造低成本、高質(zhì)量的碳纖維，以及在生產(chǎn)過程中采用一種方法來處理碳纖維，使它具有天然的抗雷擊性，從而不需要為飛機(jī)或風(fēng)力發(fā)電機(jī)部件提供額外的雷擊保護(hù)。