【案例】用3D打印的PSU复合塑料模具制造直升机大型结构件

▲用3D打印模具制成的塑料直升机零件

诸如直升机结构件这样的大型零件，通常是用重达数吨甚至数十吨的模具通过注塑工艺制成的。但这样的方法不仅成本高，而且要求高，比如机床工作台面必须能承受大重量；设备必须具有大承重和高刚性的特性，还要有足够大的台面尺寸和工作行程与之相适应；制造模具用的高速万能铣床必须有很高的动、静刚度，以提高机床的定位精度、跟踪精度和抗振能力。

另外，由于模具的强度和硬度都很高，加上常常采用伸长量较大的小直径端铣刀加工模具型腔，加工过程种很容易发生颤振。

▲3D打印的模具

3D打印技术为大型模具制造带来了新的切入点。就拿PSU塑料来说，这种塑料耐蒸气、耐水解、无毒、耐高温蒸气消毒、高透明、尺寸稳定性好的塑料材料。这也为通过3D打印技术来加工PSU塑料模具，然后通过注塑完成最终产品的加工。对于小批量大型零件的制备，这是一种快、好、省的捷径。

最近，普渡大学复合材料制造和模拟中心，Thermwood公司，应用复合材料工程（ACE）和Techmer PM的联合团队实现了通过3D打印PSU复合材料模具来实现直升机零部件的注塑目的。

据悉，这可能是碳纤维增强PSU塑料首次成功地被用于3D打印工艺。Thermwood的大型增材制造（LSAM-Large Additive Manufacturing）系统通过3D打印与机加工一次性用它将模具制造了出来。

团队的每个成员都在直升机零部件的生产中发挥了关键作用：Techmer PM是高性能定制聚合物的制造商，由他们提供了专业的PSU材料; Thermood公司提供了其LSAM技术;而专注于航空航天工业的复合材料专家ACE则通过3D打印的模具来创建最终的直升机零部件。

为了将3D打印方法与传统制造方式进行比较，团队专门做了两种制造方式的经济性分析。根据分析结果，3D打印模具的材料比标准模具材料的成本低34％，在劳动时间方面的生产速度提高了69％，3D打印模具只需三天时间就可以制造完成，而传统的模具制造需要八天时间。

能够将PSU材料用作模具，主要得益于LSAM强大的挤出系统可以达到PSU加工工程中所需的高温和扭矩水平。

Thermwood开发的LSAM系统是增材制造工艺与机加工切削工艺的巧妙结合，由3D打印完成粗糙的模型轮廓，通过使用CNC铣床将零件加工到精确尺寸，在3D打印的过程中就可以同步配合机加工切削的运用，这款用于制造直升机零件模具的大型3D打印机的建造体积为10×20英尺。

随后，直升机零件在275oF和90PSI的高压釜中成型。3D打印模具保持真空，不需要特殊的涂层，在Tg（玻璃化转变温度）372°F的情况下，这种特殊的PSU复合材料配方能够满足高达350°F的零部件注塑环境要求，根据3D科学谷的了解这足以满足今天加工中大约95％的复合材料部件。当然，还需要进行额外的测试以确定该材料在高温下的适用性和耐久性。

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来源：3D科学谷