荷兰开发连续纤维复合材料3D打印技术

作者： 刘亚威  航空工业发展中心

南极熊导读——对于追求大批量生产以及小批量复杂、精密产品制造的应用来说，连续纤维复合材料3D打印技术都可带来光明的前景，这也是为什么近年来，大学研究机构、大型制造企业、小型初创企业以及成熟的复合材料公司都在不断推出新的技术和产品，以实现连续纤维复合材料3D打印，空客资本公司也投资其中。本文介绍的荷兰技术就值得一看，它可以在一个打印过程中同时使连续增材纤维、短切增材纤维以及未增强的聚合物颗粒，拥有完全自动化的制造工艺以及先进的温度监测系统。

复合材料世界杂志5月刊文称，连续纤维增强复合材料的3D打印正不断扩展和发展。自Markforged公司于2014年宣布推出Mark One连续纤维3D打印机以来，已经出现了许多新的公司和开发项目。荷兰CEAD公司就开发了自己的连续纤维复合材料3D打印技术。

一、在一次打印中使用和不使用连续纤维进行打印
CEAD由Lucas Janssen与Logtenberg一起创立。Logtenberg表示：“我们为这个行业制作了许多不同的3D打印机，我正在调查市场，并感觉缺少适合真正工业应用的大规模材料打印。与单独使用热塑性塑料相比，你需要更多的强度。因此，我们开发了自己的专利技术。”

“我们仍然需要使用短纤维和不用纤维来打印。”这就是为什么CEAD的连续纤维增材制造（CFAM）技术能够使用连续纤维进行打印，并在同一过程中直接挤出未增强或短纤维增强的颗粒。“我们不需要更换打印头，我们将连续纤维放在熔体中间，因此两者同时挤出。但他们使用不同的驱动系统。连续纤维被推过打印头但预先浸渍以确保质量。“

Logtenberg表示，注塑和包塑复合材料以及压塑直接长纤维热塑性（DLFT）复合材料已经成为标准，直接挤出颗粒/粒状材料对工业生产来说更便宜。“这些材料必须在预打印前进行干燥，我们开发了自己的干燥机，它与CFAM机床相连。”

与包塑成型的热塑性复合材料类似，对于每次打印，在预浸渍的连续长丝和未增强的或短纤维增强的直接挤出材料中使用相同的聚合物。该公司已经加工了多种聚合物，包括ABS、PC、PEEK、PET、PLA和PP。他们正在探索PEKK和低熔点PAEK。

二、加热区和龙门架与机器人
目前，CEAD提供具有四个加热区的机器人挤出机，以及基于龙门的CFAM Prime机器，在挤出机中具有4×2×1.5米的构建体积和10个加热区。“我们在2017年开始开发，打印头基于通常与注塑成型一起使用的单螺杆挤出机。你需要逐渐加热材料不同区域，以便可以施加所需的大量压力（50-60巴）来挤出这么多材料。颗粒被转移到桶中，在那里熔化，然后压缩并推动它们。如果加热太快，挤出机中不会产生压力。”

为什么单独出售挤出机/打印头？Logtenberg表示：“客户还想要一个较小的机械臂挤出机来制造自己的机床，但不使用连续纤维，只需直接挤出。”那为什么要用CFAM Prime的龙门架呢？是因为精度和速度。“机器人确实擅长提供相对精度，但是他们从A点到达B点的方式是不准确的。通过3D打印，你必须持续精确地移动，以创建高质量的成品件。”

“另一个问题是速度，”他继续道。“我们希望工业生产的产量高，而且分辨率高。使用我们的挤出机的机械臂可以以4米/分钟的速度移动，这对于机器人来说非常快，但是龙门机可以以60米/分钟的速度移动。

龙门架提供了速度，不过机械臂上的挤出机仍然提供多轴打印。“我们感兴趣的是使用多轴打印来克服当前的z方向的性能挑战（典型的切片打印）。我们首先开发了龙门架系统，但现在西门子推出了一种新的控制系统，可在机械臂上提供相同的控制。所以我们正在开发5轴机床，龙门架系统仍然更快，但这个新系统提供真正的多轴铺放。”公司设想结合两个系统，开发类似于5轴数控铣床配置的机床。

三、冷却和控制
3D打印中的一个问题是控制塑料基体的收缩。尽管CFAM Prime最初使用红外（IR）加热管理来自热感摄像头的输入，但Logtenberg承认该系统在打印复杂形状时会产生不均匀的加热。“我们仍然使用封闭的打印舱，现在正在开发一种加热的打印床。这将提供更均匀的热量，我们仍将使用热感摄像头监测和管理系统。如果两次打印相同的部件相隔六个月，打印舱内的温度曲线和条件也将相同。”

Logtenberg指出，CFAM Prime挤出的材料非常多，其中含有大量能量。“因此，很难快速冷却它以使打印稳定。人们想要冷却打印层以使它们在打印时保持稳定。”这种冷却是如何实现的？“使用强制通风，很多空气。”他指出，在打印床和封闭的打印舱中加热是控制翘曲的一部分。“要在冷却层之上铺放热层。但是最好将材料保持在其Tg以上，对于某些材料来说超过150°C，因为它在上面打印时是稳定的。”即使采用这种工艺，Logtenberg也注意到零件中总会存在一些热应力。“你可以做一些后处理步骤来消除部分应力。”

CEAD使用西门子系统来控制其机床。Logtenberg解释道：“它们能够应对工艺和材料方面的复杂挑战。” CEAD在西门子系统下编写了自己的软件，以提供简单的用户界面。他指出，“机器采用G代码运行，这也是工业铣床使用的标准，这为零件编程提供了自由。它可以使用开源切片机，也可以使用西门子NX，这是一款功能强大的软件工具。”

Logtenberg说客户可以选择他/她想要的复杂程度。“我们的方法非常开源，可以使用不同类型的打印软件。因此，如果客户想要非常简化的打印，只需按一下按钮即可，但也可以使用更高级的软件。不过，客户必须具备如何使用它的知识。我们的愿景是让人们决定他们想要使用什么，然后我们支持他们。”Logtenberg指出，CEAD正在向企业销售，而不是向消费者销售。（是2B而不是2C）“因此我们有能力提供更多支持。”

四、打印的零件和性能
Logtenberg指出：“你可以感受到用连续纤维打印的零件与用短切纤维打印的零件之间的差异，但我们还没有测试过性能。”这是下一个任务，现在机床开发和初始启动已经完成。“今年我们将致力于对材料进行全面表征，并为每种材料组合制作具有抗压强度、刚度等的数据表。”

确定孔隙含量和纤维容量也是这种表征工作的一部分。Logtenberg承认：“我们的纤维含量目前并不高，如果你使用的是短切纤维颗粒，你可以得到30％重量的纤维。添加连续纤维只会增加10％，因为总产量和体积都很大。”

压实减少孔隙含量怎么样？“喷嘴本身会压缩打印层。你必须拥有正确的层高与宽度。如果你控制得力，你会在各层之间获得良好的附着力。“他解释说，高度与宽度的比例应该在正确的范围内，以允许在打印层中的压缩力和足够的热量，以在层中实现良好的熔融。“例如，在5毫米高，5毫米宽的打印层中，几乎没有压缩力。对于5毫米高的层，你需要10毫米的宽度。”

Logtenberg表示，CEAD不断改进CFAM Prime的打印质量。“我们已经开发了许多用于动态打印的内部软件。由于挤出机推出材料而机床必须减速以转向，所以还存在一些问题。“我们现在已经解决了这个问题。我们继续使用传感器、动力学和层温来开发跟踪措施，以改善过程控制。“

五、未来的愿景
传统复合材料行业中的许多人质疑，3D打印的连续纤维复合材料具有如此低的纤维含量和如此高的打印层之间的分层可能性，如何与传统复合材料竞争。Logtenberg对此表示赞同。“当然，z方向强度是3D打印复合材料最具挑战性的因素之一。我们目前没有与传统复合材料竞争。我们相信，未来我们将能够与传统复合材料竞争，因为我们的生产完全自动化，但我们还有很长的路要走。目前，它是当前制造方法的补充，提供了灵活性和开放式设计以及生产可能性。”