金属零件可以用3D打印复合材料代替吗？Werco高性能PEEK和碳纤维制造

导读：PEEK、碳纤维复合材料和陶瓷纤维复合材料具有与金属相似的耐温性、耐机械冲击性和耐化学性。由这些聚合物和复合材料制成的零件具有很多优异的性能，那么用3D打印的高性能聚合物材料和复合材料部件代替传统制造的金属部件可行吗？

Werco Manufacturing

△飞机和螺旋桨

Werco Manufacturing位于俄克拉荷马州，专为航空航天和国防进行部件制造。2020 年，Werco Manufacturing 拥有了两台Roboze Argo 500 3D打印机能够进行3D打印制造，同时还能够进行钣金制造、焊接、CNC 加工和零件精加工。Werco Manufacturing70%的制造任务来自军方，其余为商业航空公司。

南极熊3D打印网注意到，Werco 不仅为航空航天和国防制造最终用途零件，还专门制造用于飞机训练设备（或称为“教练机”）。Werco首席运营官Andy Bartovick说：“我们能制作驾驶舱内所有部件的'教练机’。 这些教练机可能像飞机机身一样，非常庞大和复杂，或者像几个组装零件一样简单。客户首先告诉 Werco最终产品的要求，包括它需要低保真、中保真还是高保真度，然后制造车间根据这些要求生产教练机。”
Tip：教练机（Trainer）是训练飞行员从最初级的飞行技术到能够单独飞行与完成指定工作的特殊机种。无论是操作军用或者是民用飞机的飞行员都需要经过一些相同的训练程序，使用类似的教练机完成基础飞行课程。

高保真的教练机需要尽可能在性能、外观等方面接近实际飞机，它们通常使用回收的飞机零件制成。但是，南极熊了解到，能够回收的飞机零件越来越难获得。Bartovick指出，空军正在想尽办法延长飞机的生命周期，目前有两三架飞机本应在几年后退役，但空军已经将这些飞机的寿命又延长了 10 年、15 年或更长时间。但即便当它们达到寿命，在终于能被回收之前，军方通常还会拿走其中能用的零部件，并通过MRO流程（Maintenance、Repair、Operations，可以称为设备管理系统，也可以称为维护保养系统，主要作用是在生产过程中对设备进行领用、维护盘点、维修、更新替换）将这些零件重新使用，所以最后真正能回收的零件通常是不可用的，商用飞机也是如此，而且当进行回收时，还要冒着延长交货时间的风险。“

回收飞机的零部件越来越难，好在现在有了新技术能够解决这一问题。这一技术就是3D打印！3D打印非常适合打印飞机的零件，因为这些零件通常很小且不需要批量化生产。不再需要进行回收、改造、制造等环节，大大提高了制造效率。

Roboze Argo 500 3D 打印机


△两台 Roboze Argo 500 3D 打印机

Werco还没有引入金属3D打印机，但它却能够生产与金属零件性能相似的非金属零件，这是为什么呢？
答案就是Werco增加了两台Roboze Argo 500 3D打印机制造飞机零件。这些打印机使用PEEK和碳纤维PEEK复合材料等高性能材料，能够生产性能与金属部件相似的非金属部件。

Bartovick 指出，运动鞋中的功能部件通常会大量磨损。传统聚合物在这类应用中不够耐用，但高性能聚合物（如 PEEK）和复合材料（如碳 PEEK）却足够耐用。高性能聚合物材料不仅能够应用在这种生活领域中，还可以应用在飞机零件上。 Roboze 打印机的最大亮点就是能够使用这些高性能材料进行零件制造，可以说Roboze Argo 500为使用高性能材料而生，它具有可以加热功的打印室和打印板，以及长丝干燥和预热系统，确保用户可以准确一致地打印高性能聚合物和复合材料。

更好更快更强
Werco制造中心能够通过车床或铣床将碳纤维PEEK零件进行机械加工。这有很多的优势，一方面，通过增材制造和减材制造相结合的方式能够更快更便捷地得到想要的零件。另一方面，通过机械加工的方式去除3D打印零件的支撑可以减小误差，使零件具有高精度。南极熊获悉只要3D打印部件可以固定并且是实心的（或接近实心的），加工它就像加工金属部件一样方便。


△3D打印碳纤维PEEK零件和具有粉末涂层的3D打印碳纤维PEEK零件。

碳纤维PEEK比ABS等传统聚合物更坚固、更耐热，并可以像金属一样加工。碳纤维PEEK零件外层也可以进行粉末涂层，使其具有更高的耐热性和保持负电荷的能力。

这些复合材料零件比传统的聚合物部件更容易附着粉末涂层。Bartovick指出，许多的”教练机“ 的3D 打印部件都是涂漆的。3D打印零件的喷漆工艺与金属零件相同，但在对ABS和PLA等传统材料进行涂漆时需要格外小心涂漆室的温度不能过高，因为传统材料的耐热性较低，而PEEK和碳纤维PEEK的耐热性足够高，完全不用担心喷漆室温度过高的问题。

降低打印成本的经验
Werco拥有高性能材料3D打印机将近两年了，Bartovick说Werco已经拥有了降低打印成本的重要经验。使用高性能材料的3D打印部件价格很高，而且在某些应用场景，并不需要性能如此优异的零件，若所有的部件都使用高性能材料，最终会导致成品价格过高。所以Werco引进了标准的 ABS 和 PLA材料，使得Argo不仅可以打印高性能材料，还能打印标准带材，降低生产成本的同时使打印机的应用领域更广阔。


△标有重量的长丝盒

由于大部分零件都是用高性能材料打印的，Werco会根据线轴上剩余的材料量组织生产。Bartovick指出，高性能丝材价格昂贵，因此不希望出现一个卷筒没有足够的丝材而另一个卷筒还有剩余的丝材的情况，这样的”不同步“会造成打印失败，增加制造成本。Werco会通过卷筒上的灯丝数量判断零件的打印情况。南极熊获悉，Roboze正在开发软件，使用户在不影响部件打印的情况下切换中间细丝卷，并且Werco正在努力寻找一种方法将较小的细丝融合在一起并重新缠绕它们。

展望
Bartovick 表示，由于目前制造最终用途零件、内部工具产品和原型/测试零件的任务量巨大，Werco几乎每天都在运行这两台3D打印机。所以Werco正在考虑使用 Roboze Argo 1000（打印体积为：1,000 × 1,000 × 1,000 mm）来打印更大的零件。制造中心可以直接制造大尺寸零件，而不必打印较小的零件，通过组装和涂漆获得尺寸更大的零件。Werco还希望能够使用新型高性能材料，包括用短切陶瓷纤维增强的Helios PEEK 2005。这种材料将具有更高的热性能和高表面光洁度，使得后处理操作大大减小。

Werco希望能将在教练机3D打印方面的成功转化为实际飞机上的3D打印。Bartovick 认为，碳纤维PEEK具有优异的耐机械冲击性、耐热性和耐化学性，可代替金属部件。这些零件可以进行机加工以确保严格的精度，并像金属零件一样涂漆或涂层。他还指出，碳纤维PEEK零件比3D打印金属零件需要更少的后处理。

Werco 已经注意到了航空领域对小批量和一次性零件的需求。Bartovick说：“俄克拉荷马城的Tinker Air Force刚刚提供了一份备件清单，是一份 70 页的Excel电子表格，其中包含由于多种原因而难以获得的零件，这些零件要么没有相应的供应商，要么过于复杂了。因此，我们正在查看该清单，希望可以使用3D打印技术制造符合规格的零件。"

编译来源：https://www.additivemanufacturin ... -printed-composites