3D打印复合材料风力叶片和飞机,将更快商用

轨道复合材料的专利同轴挤压工艺在空客公司的子公司CTC GmbH Stade进行了调查,并针对非常大的结构在速度,尺寸,材料和多功能方面取得进展。

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从早期建设碳纤维增强塑料(CFRP)无人机,轨道复合材料公司首席执行官科尔尼尔森想要一个更好,更快的制造手段。以硅谷为基地,他和同事选择不同的方法并不奇怪。尼尔森说:“花了一年时间才找出正确的问题。从那里,他们解构了用于3D打印连续纤维复合材料的传统熔融沉积建模(FDM)过程的每个部分,并对其进行了重新设计,包括新的硬件(和软件),以实现戏剧性的新功能:

高分辨率印刷大面积(转子叶片,飞机机翼,汽车零件)。
快速打印 – 比目前的连续纤维增强塑料技术快100倍。
从3k到48k丝束印刷干燥的粘合纤维。
与塑料,陶瓷或金属基体材料(包括热固性塑料,热塑性塑料和碳化硅)共挤出的印刷纤维。
印刷在多种材料,包括铜或铝导线,纳米材料和/或导电墨水,来实现多官能结构所需的。

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Orbital Composites公司的专利同轴挤压印刷技术正在进行测试,以在曲面上生产连续纤维复合材料,同时也为多功能复合材料结构提供丝线和其他元件的打印能力。
消息来源:四氯化碳和轨道复合材料。

同轴挤压
尼尔森解释说:“同轴挤出喷嘴的中心孔是纤维喷嘴,圆形以避免磨损纤维。在纤维喷嘴周围的环形喷嘴挤出基质。“共挤出的复合材料可以驱动到之前的印刷层来巩固和减缓。喷嘴的外部区域具有围绕它的延伸平坦区域。这就像铁一样将基体护套(热塑性塑料,热固性塑料等)压缩到纤维中,并将挤出的护套平滑到工具制造的上一个通道中。

尼尔森的团队是物质不可知论者。他说:“我们希望这些同轴系统适应各种各样的饲料原料。“理想情况下,我们围绕客户选择的复合材料设计一套工具。这允许客户确保其认证和饲料供应。为了使增材制造成为主流,材料价格必须最低。“

“在某些情况下,热塑性复合材料,例如最终用途零件可能直接从同轴喷嘴制造。然而,陶瓷前体和可烧结的结合粉末,将需要后处理,如热解和硅渗透。

尼尔森指出,同轴挤出机也可以用来制造用于包覆成型或压缩成型的纤维预成型件。“我们希望尽可能适应各种材料选择和复合材料生产链。这就是为什么我们的喷嘴是如此的模块化。“

尼尔森说:“轨道复合材料公司打算抹去3D打印和自动化纤维布放之间的界限。“关于这一目标,我们的工具在3D打印(3DP)行业的开源接口标准内运行。有16毫米沟槽安装使我们的模块化方法。“他还指出了词汇,说明公司的新方法的一部分。“3DP社区呼吁’挤出”轨道复合材料称之为”灯丝驱动器“。我们发现我们的术语更准确。在注塑术语中,“挤出机”将包括喷嘴和驱动机构的组合。“

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在CTC的成功测试包括使用CTC的第一个轨道复合材料系统将连续的CF / PA66复合材料印刷到弯曲的3D形模具上。
消息来源:四氯化碳和轨道复合材料。

 

与CTC发展
该复合材料技术中心(CTC,体育场,德国)原本是空中客车施塔德研究与技术(R&T)集团,于2001年分拆为空客运营有限公司的子公司(见我的一部分,对CTC CW车间参观的文章)。它在开发复合材料技术方面处于领先地位,并在2017年2月阅读了关于其共挤印刷头的文章后开始与Orbital Composites合作。“我们就如何改善使用连续纤维复合材料的3D打印交换了想法,”CTC研发工程师,Orbital Composites开发项目经理Johannes Born说。“我们决定在2017年4月开始的”评估阶段“项目中测试他们的设备。经过对打印头设计和打印材料进行了很多有建设性的讨论后,Orbital于9月份将其交付给了CTC。

CTC使用该系统进行了一系列非常成功的测试,并进行了内部演示,其中包括来自空客3D打印社区的工程师。(请注意,位于美国加利福尼亚州圣何塞的风险投资基金Airbus Ventures已经向Local Motors的3D打印汽车技术投资了1.5亿美元,请阅读“Airbus Ventures投资当地汽车以振兴航空航天业”。)“这些非常成功

Born说:“CTC在这个项目中的一部分主要是机器人设备的离线编程和对航空航天应用的能力评估。“我们还在测试这个设备,但是已经购买了另一个改进了设置的系统。我们已经切换到一个更小的打印头,而不是使用通用机器人,它将被安装在一个专用的打印单元。这将在2018年第一季度交付。“他指出,迄今为止的试验包括碳纤维和聚酰胺66(PA66)。Born说:“接下来的步骤是探索满足 机械和温度 要求以及飞机内部的火焰,烟雾和毒性(FST)要求的基体系统。

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CTC的第一个轨道复合材料系统具有三个不同的打印工具头,安装在通用机器人手臂(左下)的传送带末端执行器上。单独的成功试验还包括印刷铜线/ ABS复合材料。消息来源:四氯化碳和轨道复合材料
Born说:“我们肯定对印刷大型零件感兴趣。“这是一个新的方法,因为我们没有切分部分。我们从一个CATIA图纸开始,并使用它来规划纤维沉积过程。只需一次点击,我们就可以提取机器人的光纤路径[也就是用于自动化机器的计算机辅助制造的“G代码”]。这样可以保证工艺简单,实现真正的3D光纤布局,包括放置在曲面上。“他补充道,”Orbital Composites技术“我们可以同时使用预浸纤维和非预浸纤维。后者成本较低。它也有缺点,因为你正在对喷嘴进行浸渍。所以我们继续看两者。“

那么打印分辨率呢?“ 由于我们受到机器人精度和2毫米喷嘴直径的限制,单个Orbital Composites同轴挤出机的分辨率从E3D的火山喷嘴扩展到BAAM [ 大面积添加制造 ]。如果你看看 市场上的竞争对手(如  MarkForged),他们的打印机有一个0.2毫米的喷嘴直径,这给你的决议,但他们是有限的部分大小。他们的粗纱也是≈1K纤维,所以是最高性价比的原料。轨道的方法是在我们需要的地方使用正确的喷嘴。例如,您需要更高的装配表面分辨率。但是,我们不需要这个决议的部分也有一些地方。“

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看起来熟悉?
轨道复合材料和CTC PA线材复合材料演示(左上图)与Clean Sky 2项目创新的物理集成舱室系统结构工作包中的插图有惊人的相似之处。(点击放大)
消息来源:CTC,轨道复合材料和Clean Sky 2联合技术提案。

用电线打印
Born说:“我们仍在评估印刷电线。“我们知道”清洁天空2“项目,但是我们并没有在这些项目上工作。不过,我们的技术目标是一样的。“用电线打印工作吗?“我认为这是可能的,但是还有很多事情要做。如果有效的话,这将是一个游戏规则。单独使用碳纤维印刷零件的商业案例。但是,如果我们能够将电气或数据系统和/或雷击保护集成到这些部件中,还有更多的情况。关于如何对具有结构和系统功能的部件进行资格认证,还有很多问题,但是对于下一个发展阶段来说。

速度
尼尔森说:“我们希望更快地建立有用的结构。“打印喷嘴可以推动和融化只有这么多的塑料,所以你只能走得这么快。在传统的FDM中,你将整个挤出物熔化。纤维同轴挤出不需要,所以我们的系统可以用较少的热量移动更多的材料。我们有两年的试验和错误的高压,矩阵混合喷嘴。“

他声称,一个Orbital Composites单丝驱动器+共挤喷嘴可以在相同的分辨率下提高5倍的速度与标准的FDM。“但是如果将分辨率降低到2mm(MarkForged为0.2mm),则可以再增加5倍的增量。”Nielsen解释说。“所以现在我们在10倍标准FDM。如果我们把五个喷嘴合并在一起,我们就开始相乘,而不是相加。所以这是如何实现比FDM快50-100倍的速率的。“

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分形机器人
左上角,“手指”: Kuka手臂与单轨道复合材料同轴挤压工具头。
右上角,“手”:与8-10轨道共挤“Kugers泰坦”“手指”
底部:许多“手”轻型大型复合结构的工作。

 

Orbital Composites的早期投资者和战略顾问Amolak Badesha解释说:“分形机器人的概念类似于计算机处理的发展。“十年前,英特尔处理器将每两三年翻一番。但是,在制造已经不可能的情况下,他们达到了极限。于是他们开发了四核和八核并行处理器使计算速度进一步提高。通过生产具有数百个这些内核的图形卡,这种方法被提升到另一个级别,以实现新颖的单核处理器能够实现的50,100和200倍的速度。计算能力的这一重大突破不仅在图形性能方面取得了巨大的进步,而且在超级计算和人工智能应用方面也取得了巨大的进步。我们的分形机器人的方法是一样的,把你以前用一个大型的中央机器做的事情分解成一个以更快的速度并行完成的多分辨率过程。我们的愿景是以比现在更快的速度打印大型高性能复合材料结构。“

尼尔森补充说:“3D打印公司希望打造最好的”盒子“,而AFP机器制造商则希望拥有最大,最快的机器。“但是我们正在打破这种范式,加工更多的材料,并行处理的速度要快得多。”就像每个手指在人手中独立移动一样,轨道复合材料的“手”中的每个8-10工具组都独立于在上面的图像中的大型橙色库卡上的矩形底板。

 

可靠性 – 可扩展性 – 移动性 – 使命
Orbital Composites的使命是实现3D打印连续纤维复合材料的这三个特性。

可靠性
“我们必须有自我加载,纠错自动化制造单元来实现全周期,独立的工业操作。尼尔森说:“在自动化纤维铺放的世界中不存在这样的事情。“现代汽车制造业是一个奇迹。这是最佳模式。在高度自动化的系统中制造了数百万个完全相同的单元。我们需要将航空复合材料制造的模式转变为汽车模型。“想象一下,多功能复合材料车辆的近乎完整的3D打印。

可扩展性

Orbital复合材料喷嘴的分辨率可以上下调整 – 低分辨率的直径为10mm,输出分辨率高于0.4mm的输出速度更快,但输出速度较慢) – 光纤的范围从3k到50k不等。各个同轴喷嘴可以像像素一样堆叠在一起,以改变打印网格的分辨率。机器人运动系统通过分形机器人进行缩放并打破分辨率时间的障碍。尼尔森说:“这些可扩展的集成点可以在一个合理的时间内以高分辨率构建大型项目。

移动
性尼尔森解释说:“移动性能够使大型复合结构在现场或船上印刷。”

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Orbital Composites开发了一种环氧树脂复合材料的打印头,可以将两种树脂成分混合在一起,同时防止放热。来源:轨道复合材料。

他继续说:“我们正筹集资金建设世界上最大的复合结构。为什么?“为了展示同轴挤压的力量,”尼尔森回答。“轨道将分阶段追逐资金,并将继续开发和销售定制喷嘴和集成打印机单元系统。我们正在提供这种服务来帮助开发行业的最新技术,并且我们希望不惧怕开发新工具的人们提供反馈意见。我看到了同轴挤压最终将会实现的一个非常密集的子系统。“他举了一些应用实例,包括CFRP三维结构:拾取和放置嵌入式组件,如RFID芯片和喷墨印刷集成电路,印刷线互连,多功能性超材料元素等

尼尔森说:“我们正在开发专门针对特定材料和目标部件的喷嘴工具组。“我们开发了超过650℃的热塑性喷嘴,并与PEEK复合材料兼容。用于工业环境的环氧树脂复合材料的其他喷嘴。“该公司还在开发适合各种材料和部件要求的制造单元。对于所有这些打印喷嘴和工具集,轨道复合材料也完成了机器人集成。整个系统正在动员。

任务

尼尔森说:“轨道制造 – 在太空中建造车辆和大型结构 – 是我个人的最终目标。 “我们正在开发一种可以投入轨道的系统,以大规模生产无人机,卫星和人类有史以来最大的结构 – 一个轨道工厂,可以通过打破发射的限制来构建SpaceX和其他人需要的用于火星和其他飞行任务的设备重量,体积和振动。这个愿景没有改变,但我们需要成为一家公司,在地球上建立最大的复合物。可靠的,可扩展的移动系统是我们的使命。“

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