南极熊导读：把3D打印技术改装升级一下，结合传统工艺的高端制造领域，可能会有着全新的市场需求。碳纤维复合材料3D打印，就是其中一个方向。全球领先的碳纤维复合材料3D打印厂商AREVO甚至表示，“在碳纤维自行车车架领域，随着3D打印技术的进步，成本结构将发生转变；三年后，中国工厂碳纤维自行车车架的手工制造将被淘汰！”
△碳纤维复合材料3D打印机系统
南极熊了解到，美国硅谷初创公司AREVO最近的发展势头迅猛。2020年6月初，AREVO宣布，他们已经开始建设一个世界上最大的高速连续碳纤维增强聚合物（continuous carbon fiber reinforced polymer ，即"CFRP"）复合材料增材制造工厂，以 制造即服务(manufacturing-as-a-service，MaaS)的模式来运营，规模化快速生产定制产品。连续碳纤维增强聚合物复合材料的强度重量比是钢的60倍以上，可用于专业级自行车、一级方程式赛车和最新一代战斗机等产品。
随着Arevo完成第二代复合材料沉积技术升级，速度是第一代的四倍以上，计划在一个亚洲城市中部署数百套生产系统，具备满足客户对大型和几何复杂的CFRP产品快速制造需求的能力。"这将成为我过去20年里，在3D打印行业看到的，最雄心勃勃、最有趣、最有前途的应用之一。"Arevo联合创始人兼董事长Hemant Bheda表示。
3D打印，将革新传统碳纤维复合材料制造
碳纤维复合材料重量轻、强度重量比高，使其成为某些金属零件和结构的理想替代品，因为它们可以降低材料成本、提高机械性能。"复合材料已经有25年以上的历史，但其市场渗透率极低，"Hemant Bheda说。"我们认为，最重要的原因是因为其成本太高，需要手工劳动和多个步骤，以及需要很长的时间才能推向市场，通常是12到18个月。"
即使采用最先进的自动纤维贴装(AFP)技术，复合材料制造也需要对金属模具进行精密的数控加工、真空封装和烘箱固化。这工艺无法应对复杂的设计，必须将几个部件分开制造，然后手工粘合在一起，从而引入可能的人为错误。另外，像飞机机翼这样的大型部件必须在烘箱中烘很长时间，消耗大量能源，Bheda说。"现在，随着不同领域创新的融合，特别是计算能力和基于机器人的自动化，是时候对技术进行转型升级了。"
Arevo公司利用其专利软件算法、碳纤维材料和机器人3D打印技术，实现复合材料部件生产的制造即服务。
Bheda称："我们的系统完全省去了手工劳动和烘箱固化的步骤，通过我们的软件和全自动机器人3D打印机，我们可以快速制造碳纤维制品。"
连续纤维
碳纤维复合材料是由薄薄的、非常结实的碳晶丝组成的，这些碳晶丝被混在聚合物基质中；基质将纤维固定在一起，形成坚固的结构。具有很高的刚度和拉伸强度，重量轻，并具有很高的耐化学性和耐温性。
△连续纤维3D打印机喷头
目前，其他复合材料3D打印机，可以把由几微米长的切碎纤维组成的长丝，嵌入热固性塑料长丝中，实现3D打印零件。但能做出的尺寸是有限的。而Arevo的系统可以打印更大的物体，达到1立方米。
Arevo系统使用的长丝材料是由PEEK基体制成的，里面嵌入了航空级的连续碳纤维。
PEEK是一种常见的可回收塑料材料，提供比其他热固性材料更好的机械性能。Arevo的材料直径为1.2毫米，包含12000束平行的连续碳纤维，每条纤维的直径为5至6微米。
在纤维长轴方向上，连续纤维使其性能比切碎纤维，有一个数量级的提升。强度是钛的五倍，而重量只有钛的三分之一。
设计、打印、生产
除了向客户销售制造的零件，Arevo还卖3D打印机。2020年2月，他们在日本卖出了第一套系统，安装在位于东京的AGC公司，到2020年第一季度末，全球至少有4个制造工厂安装了这样的系统，开始制造零件，并计划到年底在全球拥有10个客户。
"通过我们云端软件，成千上万的设计师现在可以访问它来创建以前从未实现过的零件，"Bheda说。"而且通过全球打印机网络，他们可以按需打印他们的设计。"
△3D打印的碳纤维网球拍，强度非常高
其网络软件为制造复合材料提供了一个端到端的解决方案，从一个3D模型开始，软件会进行分析，并为纤维生成一个最佳的几何排列。"
连续碳纤维复合材料通常表现出各向异性，这意味着一些性能会根据它们沿几何平面/轴的部位而变化，控制纤维的几何排列结合零件需求的载荷，是非常重要的。
此外，软件还可以通过去除材料和推荐最有效的设计来协助设计过程，以满足零件可能遇到的实际操作条件。接着，它会计算出所需的复合材料数量，并生成使用Arevo的3D打印技术制造零件的指令。
系统还收集零件在制造过程中的数据，创建一个数字双胞胎，精确体现零件的打印状态。这些数据可以用于质量保证，为检测和分析提供强大的助力。
激光DED
除了在软件和材料方面的突破，Arevo还开发了一种基于激光DED（即直接能量沉积）的专利3D打印工艺。
△Arevo的核心技术：DED工艺。激光束熔化刚加上去的聚合物细丝和上一层沉积打印的材料，形成液-液界面。同时，使用一个滚轴施加压力，将层与层之间的空隙率降低到小于1％，达到消除分层横截面的目的。其实这思路和中国武汉华中科技大学张海鸥教授的“微铸锻”金属3D打印技术类似，但后者使用的金属材料，而不是高分子聚合物
△在打印过程中，多轴自动机械臂和平台可自由移动，实现三个以上的自由度沉积材料。通常的增材制造技术，包括堆叠2D平面材质层，来构建3D对象
DED工艺使用激光源来熔化聚合物长丝，同时也熔化之前沉积的材料，以创建一个液体到液体的界面，实现原位巩固（ in-situ consolidation）；同时，它还施加了一个压力，将空隙率降低到1%以下，消除了层，使截面看起来更均匀。"
这种复合3D打印工艺，实现高性能，可以初级航空航天结构上使用。
3D打印碳纤维自行车
△全球首款3D打印的碳纤维电动自行车Emery One。Arevo与高端自行车制造商Franco Bicycles合作开发一款新的电动自行车
传统的复合材料自行车车架，需要18个月的时间来设计和投入生产；但连续纤维3D打印技术可以将时间缩减到几周。车架制造商通过打样试错，建立超过20次的设计迭代。当他们确定一个设计时，就手工制造一个原型车，骑上去，然后改变设计；如此重复。然后，安排工厂来制造自行车，通常是在中国。经南极熊3D打印网查询得知，高端自行车车架厂商，基本上都是在中国生产。
△左：自行车车架必须在几个点上支撑重量。中：自行车零件之间的间隙通常非常紧密。右：3D打印碳纤维的整体重量很轻
工厂制造的复合材料车架是由27到30个不同的零件手工制作而成，最后粘合在一起。而Arevo的系统，所有的设计工作，包括分析和优化，都可以通过软件来完成的，大大降低研发成本；同时3D打印一个整体单一部件，连续纤维智能放置在车架内，提供前所未有的结构完整性和稳定性。
△视频：碳连续纤维3D打印自行车车架的技术
"如今，在生产的200万个复合自行车车架中，99%都是中国制造的。"Arevo联合创始人兼董事长Bheda说。"我们相信，随着技术的进步，成本结构将发生转变，三年后，手工制造自行车车架将被颠覆，被淘汰。"
Arevo还在研究其他一些应用，包括自行车和滑板车的车轮。用于运输包裹的商用无人机制造商对复合材料的轻量化很感兴趣，还有网球拍和溜冰鞋（用于连接金属叶片和靴子的结构）在内的运动设备制造商。
航空航天、建筑和汽车领域等其他战略应用也在开发中。AREVO连续碳纤维复合材料3D打印白皮书下载链接：https://pan.baidu.com/s/1sfzWJEVFp8bSHOtqlbU2ag 提取码：i47l
中国的连续碳纤维3D打印
据南极熊了解，中国连续碳纤维3D打印方面的创业团队非常少，但也有一些研究相关技术的大学和研究所团队，感兴趣可留言。
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