大型復合材料部件的3D打印+模壓成型：為實現(xiàn)高性能的大型3D打印復合材料部件的大批量生產(chǎn)，美國橡樹嶺國家實驗室開發(fā)了一種名為AMCM的系統(tǒng)，該系統(tǒng)組合了機器人、基于擠出的3D打印機和模壓成型設(shè)備。第一個試驗案例是此圖所示的螺旋槳葉片，最終的應(yīng)用目標是能夠生產(chǎn)汽車電池盒及其他高產(chǎn)量的復雜形狀的產(chǎn)品

 

    在美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）11萬平方英尺的生產(chǎn)示范工廠（MDF）中，安裝了一個美國能源部（DOE）的用戶設(shè)施，專門用于在制造、機器人和模擬（包括復合材料）等眾多領(lǐng)域開展早期的研發(fā)工作。

 

    其中的一項創(chuàng)新是ORNL與辛辛那提公司（美國俄亥俄州Harrison）合作開發(fā)并商業(yè)化的大型增材制造（BAAM）大幅面3D打印機。一直以來，大型增材制造主要被用于制造基礎(chǔ)設(shè)施、航空和汽車等領(lǐng)域所需的模具，以及機床機座、船舶結(jié)構(gòu)等最終用途的部件。

 

    傳統(tǒng)上，大幅面增材制造的一個限制因素是，3D打印容易生產(chǎn)出表面粗糙不規(guī)則及孔隙率較高的部件，因而阻礙了增材制造在許多高性能最終用途部件生產(chǎn)中的應(yīng)用。為了降低孔隙率，商業(yè)上已通過增加二次加工步驟如模壓成型的方式作過多次努力。在過去的兩年里，一個 ORNL的團隊一直致力于開發(fā)自己的可擴展兩步法工藝，以期消除大批量生產(chǎn)的大幅面終端用途部件中的孔隙，同時確保每個部件的生產(chǎn)周期不超過2.5分鐘。

 

    ORNL開發(fā)的工藝名為AMCM（增材制造+模壓成型），它將一臺采用機器人的擠出打印機與隨后的模壓成型步驟集于一體。

 

    AMCM 工藝的開發(fā)已有兩年多，該團隊最初采用MDF現(xiàn)有的大幅面BAAM打印機和模壓機初步證明了該工藝組合的優(yōu)勢，如最終部件擁有較低的孔隙率。但是，打印機和模壓機彼此并不挨著，雖然兩機之間距離不算遠，但在模壓成型前必須在帶式爐上增加一個再加熱的步驟，以使預成型件重新軟化，達到模壓成型所需的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。然而，每個部件多預熱5～6分鐘，就會顯著增加總的循環(huán)時間，使得每個部件總的生產(chǎn)節(jié)拍達到8～9分鐘。

 

    因此，他們發(fā)現(xiàn)，需要一個能將增材制造與模壓成型組合成一個系統(tǒng)的專用的生產(chǎn)單元，以此來證明這項技術(shù)可以用于大批量的生產(chǎn)環(huán)境。

 

    為了縮短這項技術(shù)的生產(chǎn)循環(huán)時間，ORNL提出了目前的AMCM生產(chǎn)單元這一概念，它于2021年11月被安裝完成。該生產(chǎn)單元包括安裝于六軸KUKA機器人手臂上的擠出打印頭、一臺500噸模壓機和一個材料干燥系統(tǒng)，打印機每小時可以沉積多達150磅的材料。

 

ORNL于2021年秋季建成的實驗室規(guī)模的AMCM單元組合了機器人、基于擠出的3D打印機和一臺模壓機，用于測試該系統(tǒng)的性能極限（圖片來自O(shè)RNL）

 

    在AMCM單元中生產(chǎn)部件時，首先直接在模具上擠出部件形狀，從而獲得一個三維訂制的預成型件。該預成型件通過傳送帶直接進入壓機，即刻成型。在材料的熔化溫度或稍高于熔化溫度的條件下擠出材料，AMCM 單元的設(shè)計允許預成型件在材料溫度降至其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下之前到達壓機進行模壓成型。

在模具中打印：為了縮短循環(huán)時間，AMCM 系統(tǒng)直接在模具中打印，打印好的預成型件將通過傳送帶進入壓機（圖片來自O(shè)RNL）

 

 

    該團隊利用AMCM單元演示生產(chǎn)了一個20%碳纖維增強ABS的簡單平板，完成打印、壓制和干燥過程的總循環(huán)時間是2.5分鐘。此外，AMCM單元還演示生產(chǎn)了其他的平面部件，如無人機螺旋槳。

 

    該團隊希望安裝在機器人手臂上的打印機可以打印尺寸相對較大或形狀復雜的部件，而目前實驗室規(guī)模的系統(tǒng)僅限于在500噸的壓機上安裝41英寸×48英寸的模具，而且，目前使用的模具是不加熱的，但如果要打印更大的部件，可能需要加熱模具，以確保3D打印的預成型件不會過快地冷卻下來，以及在打印及轉(zhuǎn)移到壓機中的過程中溫度能夠保持在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上。需要注意的是，使用加熱的模具時，目前的參數(shù)如擠出溫度會發(fā)生變化，在這種情況下，不必擔心材料會很快冷卻下來。

 

    該單元的最初演示集中在生產(chǎn)單一材料的平面部件，以測試該系統(tǒng)的速度和性能，但該團隊的最終目標是能夠打印更復雜的非平面形狀和多材質(zhì)的部件，可以使用包括玻璃纖維增強ABS和玻璃纖維增強尼龍之類的材料。

 

    這種方法的優(yōu)勢是，與傳統(tǒng)的注射成型或擠壓成型（ECM）工藝相比，可以制造出孔隙率低于1.5%的部件。該團隊還在整合3D打印的纖維控制，以使纖維順著打印珠的方向排列，從而獲得模壓成型的低孔隙率。

 

    據(jù)說，該加工過程高度受控，基本上消除了所有的孔隙，實現(xiàn)了聚焦纖維的取向和排列。

    第一個測試案例：無人機螺旋槳葉片。ORNL希望其AMCM 單元能夠大批量地生產(chǎn)商業(yè)化的部件，可能是大型部件。作為第一個測試案例，技術(shù)人員們制造了一系列用于無人機的碳纖維增強熱塑性螺旋槳葉片（圖片來自O(shè)RNL）

 

    雖然現(xiàn)在安裝在MDF的AMCM單元是一個實驗室規(guī)模的系統(tǒng)，但據(jù)說它易于擴展成生產(chǎn)規(guī)模的設(shè)施，并可實現(xiàn)數(shù)字化、數(shù)字化設(shè)計和自動化。

 

    該團隊希望可以采用這項工藝大批量地生產(chǎn)汽車和城市空中交通等領(lǐng)域所需的下一代復合材料部件，如電池盒或座椅靠背，以及無人機螺旋槳等。完全優(yōu)化后，預計該系統(tǒng)每小時能生產(chǎn)120個部件。

 

 

    AMCM 工藝是MDF的主要創(chuàng)新之一，但不是MDF正在開發(fā)的唯一的復合材料3D打印創(chuàng)新。總體而言，3D打印始終是ORNL關(guān)注的一大核心領(lǐng)域，包括正在進行的采用其BAAM打印機實現(xiàn)的多材料打印、采用泡沫的打印、采用生物基再生纖維或天然纖維的打印以及將電線打印到3D打印部件的中心等。

 

    在MDF，還安裝了第一個實驗室版本的反應(yīng)增材制造（RAM）打印機。這是一臺大幅面的熱固性復合材料3D打印機，它由ORNL與美國田納西州諾克斯維爾的Magnum Venus Products公司（簡稱MVP）合作開發(fā)，并采用美國Polynt公司的樹脂進行打印，目前正在 MVP 附近的諾克斯維爾工廠中以商業(yè)化的形式進行開發(fā)和銷售。

 

     在MDF，ORNL繼續(xù)優(yōu)化材料的流動性能，采用RAM系統(tǒng)構(gòu)建示范部件。利用RAM打印機開展的其他研究包括與MVP合作的一個項目，即將RAM打印系統(tǒng)與一臺MVP的實驗室規(guī)模的纖維纏繞機整合在一起，并安裝在MDF。該項目還涉及使用RAM打印機打印示范件，然后在固化的3D打印部件周圍纏繞纖維，以此通過添加材料來加強部件。ORNL還在與波音公司合作一個項目，即采用RAM 系統(tǒng)3D打印模具。

利用Magnum Venus Products公司的設(shè)備，ORNL 的研究人員們探索將纖維纏繞（提供抗壓強度）整合到3D打印（獲得復雜的形狀）的部件上

 

 

    與美國Orbital Composites公司合作，ORNL還在尋求優(yōu)化多材料的機器人3D打印技術(shù)。研究人員們正在努力使該系統(tǒng)（能夠打印熱塑性或熱固性的長絲）能夠在非平面表面的頂部進行更準確的打印，以及將連續(xù)纖維打印到熱塑性不連續(xù)纖維部件的頂部。為此，ORNL正在開展材料原料的研究，而Orbital旨在完善機器和配套的軟件。正在開發(fā)的應(yīng)用包括無人機部件、模具、汽車和風力發(fā)電機部件。

Orbital Composites公司與ORNL合作開發(fā)新的熱固性和熱塑性材料，用于其機器人3D打印系統(tǒng)，幾臺測試機器已安裝在MDF

 

 

    采用和不采用3D打印，MDF目前正活躍于眾多的復合材料領(lǐng)域，包括用于極端環(huán)境如空間再入結(jié)構(gòu)和核反應(yīng)堆的碳-碳材料。比如，Orbital Composites公司正在ORNL的MDF嘗試3D打印碳-碳材料的火箭噴管。ORNL還在研究碳-碳材料的模具，其優(yōu)點是具有接近零的熱膨脹系數(shù)。與項目合作伙伴美國桑迪亞國家實驗室的另一項合作, 致力于將碳-碳和陶瓷基復合材料（CMC）用于國防和航空航天領(lǐng)域。

 

    由ORNL的高級研發(fā)科學家Soydan Ozcan博士領(lǐng)導的生物基材料的開發(fā)也是一個重點，尤其是用于3D打印的生物原料。ORNL與緬因大學先進結(jié)構(gòu)和復合材料中心緊密合作，開發(fā)纖維素納米纖維（CNF），以及利用各種生產(chǎn)工藝來應(yīng)用這些材料。在與緬因大學合作的一個試驗項目中，他們在緬因大學的一臺構(gòu)建面積60英尺×22英尺的LFAM打印機上，采用CNF材料制成了兩副模具，用于生產(chǎn)100英尺長的7片海上風機葉片。在此項目中，ORNL完成了材料和設(shè)備的開發(fā)。

 

    另一個專注于可持續(xù)性的團隊正在研究實驗室規(guī)模的回收方法，用于回收包括風機葉片在內(nèi)的復合材料部件。在此使用的系統(tǒng)是利用一臺粉碎機和水刀切割機來探索加工/粉碎報廢部件的新方法。回收再利用的案例也會得到評估，比如，將回收切碎的材料混入3D 打印的粒料中，然后送回BAAM打印機中進行打印。

專注于可持續(xù)性：ORNL為回收報廢部件而開發(fā)的解決方案包括用水刀切割風機葉片（圖示），粉碎后通過3D打印或其他工藝進行再利用

 

    距離MDF 30分鐘的車程，美國能源部設(shè)立在ORNL的碳纖維技術(shù)設(shè)施（CFTF）運行著一條全范圍的碳纖維生產(chǎn)線，使技術(shù)人員們能夠試驗并優(yōu)化碳纖維生產(chǎn)的各個方面以及從生產(chǎn)線上下來的碳纖維的性能。一臺BAAM打印機和拉擠系統(tǒng)能夠立即采用新制成的纖維制造部件。正在開展的研究還包括采用煤制造低成本、高質(zhì)量的碳纖維，以及在生產(chǎn)過程中采用一種方法來處理碳纖維，使它具有天然的抗雷擊性，從而不需要為飛機或風力發(fā)電機部件提供額外的雷擊保護。