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    【3D打印 技術(shù)】連續纖維增材制造技術(shù)或將顛覆航空復合材料結構生產(chǎn)模式
    2020-01-17 悉恩悉機床網(wǎng)


    arevo 3D打印技術(shù)。


    McNair 3D打印技術(shù)旨在生產(chǎn)高度復雜且獨特的結構。


    連續纖維3D打印將多個(gè)結構作為單個(gè)組件進(jìn)行打印,圖為帶有嵌入式角撐板的飛機翼梁。使用Continuous Composite的3D工藝進(jìn)行打印,隨后通過(guò)手工沉積碳纖維復合材料進(jìn)行蒙皮


    美國軌道復合材料公司的3D打印產(chǎn)品


    雙機器人連續纖維3D打印機

      2019年3月,全球復合材料領(lǐng)域頂級展會(huì )JEC組委會(huì )將2019年度增材制造(3D打?。﹦?chuàng )新大獎授予美國連續復合材料公司、空軍研究實(shí)驗室、洛克希德·馬丁公司團隊,以表彰其在連續纖維3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)方面的創(chuàng )新成果。連續復合材料公司是連續纖維增強3D打印技術(shù)的先驅?zhuān)?012年獲得了全球最早的工藝專(zhuān)利。自美國于2014年推出首臺連續纖維3D打印機以來(lái),該技術(shù)正在快速發(fā)展并在航空領(lǐng)域取得應用。隨著(zhù)技術(shù)的逐漸成熟和大規模推廣應用,該技術(shù)或將顛覆現有復合材料無(wú)人機、低成本復合材料航空結構的生產(chǎn)模式。

      連續纖維3D打印技術(shù)的優(yōu)勢

      連續纖維3D打印技術(shù)綜合利用工業(yè)機器人、3D打印末端執行器、原位檢測、智能監測與機器學(xué)習等技術(shù),快速輸送、沉積連續纖維增強體,以及基體樹(shù)脂并原位浸漬、固化,與傳統的自動(dòng)鋪絲成形以及熔融沉積成形等工藝相比,自動(dòng)化程度和柔性更高,對于典型的碳纖維/聚醚醚酮零件,研發(fā)周期可縮短至原來(lái)的1/30,生產(chǎn)速度可提高100倍。連續纖維3D打印機可以由多機器人組成柔性單元,機器人上還可添加多個(gè)3D打印末端執行器,同時(shí)打印頭可支持碳纖維、凱夫拉、玻璃纖維甚至光纖和金屬絲等材料,使該技術(shù)既可以用于大批量生產(chǎn)復合材料零件,也可以一次性打印高度復雜的幾何形狀或者需要極其精密制造的關(guān)鍵零件。

      連續纖維3D打印技術(shù)的發(fā)展方向

      當前,美歐3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)商與機器人制造商已共同開(kāi)發(fā)了一系列先進(jìn)的連續纖維3D打印設備與制造工藝,主要應用方向和發(fā)展情況如下。

      低成本復合材料結構的大批量生產(chǎn)

      美國阿瑞沃公司開(kāi)發(fā)了可將熱塑性預浸絲束打印成零件的直接能量沉積(DED)工藝,空客資本公司參與了對該公司的投資。DED工作單元由工業(yè)機器人、激光加熱打印頭和旋轉構建平臺組成,與傳統3D打印相比,能夠將生產(chǎn)速度提高100倍。除無(wú)人機機身、機翼等航空零件外,阿瑞沃公司還生產(chǎn)與無(wú)人機框架結構類(lèi)似的自行車(chē)車(chē)架,連續纖維3D打印技術(shù)使其開(kāi)發(fā)周期從18個(gè)月縮短到了18天。該公司于2019年2月投入使用的新工廠(chǎng)擁有8個(gè)機器人工作單元,可完成包括打印本身、后處理(如鉆孔)以及用于噴涂的預打磨,每天共可生產(chǎn)8個(gè)大型零件。該公司正在測試每臺機器人運行多個(gè)打印頭以及每個(gè)工作單元運行多個(gè)機器人,以將生產(chǎn)速度再提高3倍。為了在整個(gè)提速過(guò)程中保持質(zhì)量和可重復性,該公司采用了原位檢測和機器學(xué)習技術(shù),為打印頭配裝多個(gè)傳感器(測量高度、壓力、變形等), 系統軟件使用這些傳感器數據,根據需要實(shí)時(shí)調整工藝參數。這樣,當工作單元需要更快運行時(shí),就可以確保沉積速率、加熱、固化和其他參數得到最優(yōu)匹配。

      美國軌道復合材料公司開(kāi)發(fā)了由并聯(lián)機器人、模塊化同軸擠出末端執行器組成的高度定制化的3D打印設備,擠出噴嘴通過(guò)其中心孔供給基體材料,通過(guò)周?chē)沫h(huán)形噴嘴供給纖維,并聯(lián)機器人通過(guò)多臺協(xié)作加快生產(chǎn)速度,可比傳統3D打印快100倍。該技術(shù)的特點(diǎn)是可適應幾乎任何復合材料:3-48K絲束的干燥和黏合纖維;包括熱固性/熱塑性塑料和碳化硅在內的塑料、陶瓷或金屬基體;并且能夠結合銅或鋁線(xiàn)、納米材料、導電油墨或其他有助于實(shí)現多功能結構的材料。這使其特別適合無(wú)人機類(lèi)應用, 投資一種設備即可應用于所有結構和功能組件。

      意大利莫伊復合材料公司開(kāi)發(fā)的連續纖維制造工藝,旨在解決使用熱固性樹(shù)脂進(jìn)行3D打印的挑戰,并已成功用環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸和乙烯基酯打印連續玻璃纖維增強復合材料。除了適用于碳纖維應用的固化機制外,該工藝還可使用紫外線(xiàn)固化方式,所需固化時(shí)間小于1秒。目前, 該技術(shù)已開(kāi)始用于航空結構件制造。

      復雜或精密結構的快速研制和小批量生產(chǎn)

      美國南卡羅來(lái)納大學(xué)McNair航空航天創(chuàng )新與研究中心的研究團隊開(kāi)發(fā)了一種熔融長(cháng)絲制造(FFF) 工藝,FFF系統使用配備有連續纖維沉積末端執行器的工業(yè)機器人平臺,可提供7個(gè)自由度。該技術(shù)非常適合三類(lèi)應用:一是模具或芯軸成本相對過(guò)高的小批量航空結構制造,如僅需一個(gè)特定高強度組件的無(wú)人機或小型航空器;二是利用其他制造方法無(wú)法產(chǎn)生所需強度質(zhì)量比和剛度質(zhì)量比的高度復雜的結構,如加強網(wǎng)格; 三是套印,這是一種在打印過(guò)程中插入組件并由此完全嵌入打印零件中的技術(shù), 可以實(shí)現零件整合,如在打印零件中嵌入射頻識別芯片或電子傳感器。傳統采用自動(dòng)絲束鋪放的航空結構集成度很低, 而該技術(shù)的亮點(diǎn)在于,如果使用熱塑性塑料制造復合材料結構,每次就是通過(guò)套印重新熔化以增加新組件,消除鉚釘、緊固件和黏結劑可顯著(zhù)改善這些結構。

      荷蘭CEAD集團于2018年11月推出其“優(yōu)質(zhì)”(Prime)大型連續纖維增材制造3D打印機,其尺寸為2米×4米×1.5米,是歐洲最大的3D打印機。制造過(guò)程中,打印機首先使用所需的熱塑性樹(shù)脂預浸漬連續玻璃纖維或碳纖維, 然后打印頭將連續纖維與熔化的熱塑性樹(shù)脂顆粒結合,其中還可包括一定百分比的短切纖維,特別有利于小批量生產(chǎn)大型復雜產(chǎn)品。它還具有智能加熱/冷卻系統,可通過(guò)熱感攝像頭監測工藝,并根據需要實(shí)時(shí)進(jìn)行調整。

      俄羅斯初創(chuàng )企業(yè)阿尼索打印公司開(kāi)發(fā)了基于復合纖維共擠出工藝的3D打印機,也是將增強長(cháng)絲送入打印機之前對其進(jìn)行預浸漬處理,不過(guò)長(cháng)絲是采用特殊配方的熱固性樹(shù)脂預浸漬,而基體樹(shù)脂通常是熱塑性塑料,據稱(chēng)這是因為熱固性聚合物比熱塑性塑料更容易潤濕單根單絲,能夠提供更好的附著(zhù)力,從而提升固化零件質(zhì)量。

      將速度與精度相結合的復雜結構大批量生產(chǎn)

      美國馬克鍛造公司開(kāi)發(fā)的連續纖維系統使用兩個(gè)打印頭,一個(gè)用于基體樹(shù)脂,另一個(gè)用于熱塑性樹(shù)脂預浸絲束。技術(shù)改進(jìn)的重點(diǎn)是可靠性和可重復性。公司致力于實(shí)現工藝的完全閉環(huán),并正為此開(kāi)發(fā)一系列功能,如完全集成的材料跟蹤和全面的自動(dòng)報告功能。該系統的一個(gè)重要應用是打印工裝夾具及組件, 與機加鋁制組件相比,3D打印的熱塑性產(chǎn)品同樣堅固但更輕,不會(huì )像金屬組件那樣破壞零件,而且在同一天內就可以準備好,這可促進(jìn)航空復合材料制造模具的發(fā)展。

      美國Continuous Composites公司獲得創(chuàng )新大獎的連續纖維打?。–F3D) 工藝,使用快速固化熱固性樹(shù)脂(工藝也適用于熱塑性塑料),將增強纖維浸漬在打印頭內,并在材料沉積后立即固化復合材料。熱固性材料使該工藝能夠在自由空間中執行高速打印,纖維體積含量可達到50%~60%。獲獎項目中的重要進(jìn)展包括更加自動(dòng)化的工具路徑生成手段;自動(dòng)化的工具更換,從而可在同一部件上實(shí)現高分辨率單通道打印和高沉積率多通道打??;提高機器人準確性和精度等。該公司預計未來(lái)此技術(shù)將用于按需打印整個(gè)飛行器結構——無(wú)論是10件還是1萬(wàn)件。

      瑞士9T實(shí)驗室基于連續點(diǎn)陣制作工藝開(kāi)發(fā)了“碳套件”(CarbonKit)系統,系統使用工業(yè)級廉價(jià)材料拉擠出復合材料棒,棒通過(guò)牽引單元進(jìn)入可調節熱量的擠出頭,系統可以與一系列熱塑性基體體系配合使用,纖維體積含量可達50%以上。該系統的另一個(gè)重要特征是能縮放擠出不同的橫截面積,因此可以適應具有小絲束的高分辨率應用,以及具有大絲束的大幅面增材制造,如加筋壁板。一個(gè)已開(kāi)展的項目證實(shí),每年可生產(chǎn)約30000個(gè)零件。

      啟示建議

      當前,連續纖維3D打印技術(shù)還存在兩個(gè)主要問(wèn)題:一是纖維含量低,且打印層之間的分層可能性高;二是缺乏標準化的連續工具路徑生成商業(yè)軟件。未來(lái),隨著(zhù)這些問(wèn)題的解決,該技術(shù)依托靈活開(kāi)放、高速高效、低成本且生產(chǎn)完全自動(dòng)化等優(yōu)勢,必將會(huì )與傳統復合材料制造技術(shù)產(chǎn)生競爭??梢灶A見(jiàn),隨著(zhù)該技術(shù)的成熟和大規模推廣應用,將進(jìn)一步促進(jìn)航空制造業(yè)探索以3D打印方式批量生產(chǎn)無(wú)人機、復雜航空結構以及制造工裝,開(kāi)啟航空復合材料發(fā)展的新浪潮。

      面對國外技術(shù)飛速發(fā)展的勢頭,我國應加強情報跟蹤研判,聯(lián)合原材料、機器人、末端執行器、3D打印軟件、傳感器、機器學(xué)習、數控系統優(yōu)勢企業(yè), 盡早開(kāi)發(fā)和演示驗證若干系列自主可控的工藝和裝備,形成規?;闹圃旃に嚭脱b備產(chǎn)業(yè),支撐我國制造業(yè)提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量,以迎接未來(lái)航空復合材料結構設計制造面臨的高速、低成本競爭, 并滿(mǎn)足未來(lái)以無(wú)人機為代表的航空裝備低成本大批量按需制造的需求。


    來(lái)源:中國航空報

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