探索複合材料3D列印的創新應用
探索複合材料3D列印的創新應用
3D列印複合材料的蓬勃發展代表了一個充滿希望的趨勢。它有望克服傳統方法的限制，從而在複合材料製造領域顯著節省成本和時間。
工業新材料（德州）研究院成立於2021年1月， 致力於船用複合材料、5G通訊複合材料、先進複合材料製造流程和高端裝備相關技術的研究、開發和商業化。作為中國省級“新型研發機構”，該研究院與INTAMSYS合作 ，在應用3D列印技術開發和實施複合材料產品零件方面率先開展了兩項舉措。
3D列印直接製造：傳統複合材料成型製程的替代品
為特定飛機引擎開發進氣歧管是該研究所的重要項目。進氣歧管是引擎系統中的關鍵部件，直接影響引擎的整體性能。然而，其複雜的結構在開發過程中帶來了挑戰，例如模具製造困難、成本高以及振動焊接過程耗時。這導致交貨時間更長並降低了產品開發的效率。
為了因應這些挑戰，該研究所首次嘗試使用FFF 3D列印技術直接生產進氣歧管。在根據材料性能、設備能力、服務支援等方面對不同品牌的FFF 3D列印機進行深入研究和評估後，研究院選擇了INTAMSYS的FUNMAT PRO 610HT 3D列印機和PEEK-CF複合材料進行產品開發和應用。
FUNMAT PRO 610HT作為一款高性能FFF列印設備，主要設計用於列印PEEK、ULTEM、PPSU等高溫熱塑性材料。它可以處理市場上提供的各種熱塑性材料，包括定製材料。其恆溫室確保列印高性能材料時具有優異的性能。雙噴嘴加熱溫度高達500°C，腔體溫度高達300°C，可列印高溫材料而不變形，確保無包裹列印，同時有效熔化大多數熱塑性塑膠。
最終的 3D 列印組件尺寸為 218.4×216.4×95.4mm。該產品由該研究所的專家和INTAMSYS的工程師共同開發，針對製造進行了最佳化設計（DfAM），並對印刷流程進行了調整，進行了以下改進：
重量減輕30%：印刷產品的最薄壁僅1.7毫米，而傳統注塑進氣歧管產品的壁厚約為3毫米，飛機重量顯著減輕。
尺寸精度：零件尺寸嚴格控制在±0.2mm以內，確保進氣歧管的精確安裝。
機械強度提高30%：產品機械強度達100MPa，比傳統注塑PA66-GF產品增加30%以上。
耐高溫： 長期耐高溫，完全滿足客戶144℃的應用需求
考慮到製造效率，如果該零件採用傳統注塑製程製造，則需要約 27803 美元的模具成本，模具交貨時間為 45 天。然而，利用3D列印技術，產品可以作為一個整體無縫製造，將成本降低至傳統方法的十分之一 ，並將生產 週期縮短至僅4-7天。
將 3D 列印融入傳統製程：複合材料製造的新範式
除了直接製造複合材料零件外，將 3D 列印與傳統技術相結合還可以為傳統方法所面臨的挑戰提供解決方案，確保最佳性能、成本效益和節省時間的優勢。正是基於這項創新策略，該研究所與國內領先大學合作開發了機器人複合材料機械手臂。
最初，利用 FUNMAT PRO 610HT 3D 列印機使用 PEEK-CF 材料無縫生產機械手臂的內部支撐結構。該組件以其大尺寸、彎曲表面、高剛度重量比和卓越的比強度而聞名。這些品質展示了列印設備製造複雜高性能零件的能力。
隨後，該研究所採用預浸漬鋪層法將碳纖維包裹在 3D 列印結構周圍。這種方法可以快速、經濟地生產出輕質、堅固的複合材料機械手臂，避免了對模具的需求，同時實現了與鋁合金相當的結構強度。
除了與預浸漬鋪層製程整合之外，3D 列印還提供了與各種其他技術融合的廣泛潛力，包括傳統的纖維纏繞、自動鋪層和壓縮成型製程。
3D列印在產品零件的直接製造以及與傳統製程的融合方面都取得了突破，為複合材料產品製造提高效率、降低成本做出了重大貢獻。透過與INTAMSYS的合作，工業新材料研究所展現了其工程創新實力，展現了3D列印技術在複合材料產品設計、製造和開發應用方面的巨大潛力。