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聚合物定向能量沉积(DED)3D打印有什么好处?

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:3D打印商情

2019-09-23 10:41

  (文/Natalie Rudolph博士,AREVO研究与发展副总裁)

  近十年来,增材制造一直是制造业发展最快的领域之一。这种增长得益于材料和设备开发方面的进步神速。然而,设计工具并没有以同样的速度发展。这与技术的多样性有关,几乎每个月都会出现新的变化。这使得这些工具的大型制造商难以覆盖甚至是部分覆盖市场。此外,材料和工艺设置的复杂相互作用,以及增材制造部件的各向异性材料行为要求测试程序比产生更多各向同性材料性能的工艺要大得多。因此,标准化测试和获得高保真数据集的工作进展缓慢,而且费用高昂。

  虽然金属增材制造部件越来越多地用于结构应用,但很少有塑料增材制造部件和工艺为此提供足够的耐久性。因此,到目前为止,更大的努力主要集中在金属和聚合物粉末床的融合过程上。此外,由于3D打印机和所需材料的低成本,许多研究小组一直致力于研究材料挤出(ME)工艺。然而,由于与传统的、大批量的制造技术相比,降低了零件性能,并不适合于更多的最终用途应用。大多数数据不具备可比性,甚至显示出很大的差异,因此,模拟工作进展缓慢,往往无法用实验数据进行验证。

  因此,信心水平仍然很低,技术的适应也很缓慢。总部位于加利福尼亚硅谷的AREVO公司开发了一种技术,可以直接数字化制造超高强度、重量轻的复合材料零件,以便在高容量的情况下应用于最终用途。最近,该公司的研究人员开发了一种新的方法来克服这些挑战。它属于定向能量沉积(DED)范畴。

  DED最为人所知的是金属原料,它可以是粉末,也可以是线材,被送入激光或电子束的路径,随着材料的沉积而熔化。线材工艺的通过率很高,但就像所有金属工艺一样,它需要一个受控的环境;在这种情况下,它需要一种屏蔽气体。

  由AREVO开发的聚合物DED使用热塑性聚合物基体浸渍的碳纤维“丝”或长丝,但它不需要受控环境。它能够处理50%以上的碳纤维体积含量,并具有先进的建模和软件能力。对这些复合材料的力学性能进行了全面的研究,为模拟提供了有价值的输入和验证,并利用该软件进行了可靠的结构设计和优化。

  为了更好地理解DED的价值主张,需要将其与其他过程进行比较。在复合材料制造过程中,在高压釜中固化是金的标准。这是唯一的工艺,消除了所有的缺陷,从材料和加工,如空隙,树脂富区,压实不足,固化程度(仅对热固性材料)。所有这些问题都会对零部件的机械性能产生不利影响。因此,与其他制造技术生产的零件相比,蒸压构件的强度和刚度最高。由于需要减少资本投资、增加制造灵活性、扩大零件、减少消耗品和模具成本以及与芯片有关的问题(堆芯破碎和稳定问题),在零件性能允许的情况下,使用越来越多的高压釜(OOA)工艺。根据经验,OoA处理通常达到蒸压性能的50-70%。

  在现有的复合材料制造技术中,热塑性塑料和连续纤维增强同时使用的技术很少。使用热固性通常需要两步工艺的预成型和随后的注射和固化,例如,内翻、长丝缠绕、编织和囊式成型或AFP。在同时进行成型、注射和固化的情况下,如RTM、湿压和拉挤,形状非常有限,而且总是需要双面模具。注射时间和固化时间仍然是时间限制因素,过快时会产生空隙和压实不足的风险。

  具有连续纤维的热塑性复合材料制造工艺如下:

  定制纤维敷设,TFP,是一种拼接或缝合技术,使用上下缝合线将预定图案中的CF粗纱等增强材料固定在基材上。当将含有增强纤维和基体纤维的混合或混杂纱线放置在一起以产生预成型件时,随后可以使用压缩成型工艺来巩固零件。这使得TFP成为一个两步的过程,类似于需要模具的热固性工艺。

  玻璃纤维热塑性复合材料GMT在压缩成型过程中,在热塑性基体(主要是聚丙烯)中使用预浸渍的连续无规纤维增强材料,在工业规模上生产简单而又大型的部件。随机纤维取向使零件具有更准各的向同性特性。

  自动纤维敷设,AFP,是一种利用热和压实力将预浸渍纤维拖曳放置在复杂工具上的过程。虽然该技术主要用于热固性预浸料,需要随后的高压釜固化,但热塑性拖曳也可以实现原位固结。虽然在一般情况下是非常灵活的,它是最适合于复杂的弯曲层压板结构与量身定制的纤维取向。它仅限于大的平面内转向半径的光纤和不可能放置在z方向。

  DED允许打印低于或等于50 vol%碳纤维的复合材料,这是高性能所必需的,并且可以达到与其他复合材料制造工艺类似的大幅度降低组件重量的目的。此外,使用激光作为加热机制会产生优异的界面强度和打印速度,这将这一技术从原型发展到制造,如图1所示。

图1.连续纤维增强热塑性长丝的DED 3D打印技术原理图,该技术由激光热源熔化,由滚筒压实生成三维物体。

  下面的数字比较了DED工艺与前面提到的连续纤维复合制造工艺以及增材制造工艺。

图2.废钢率的工艺比较(FDM=熔融沉积模型,SLA=立体熔积,PBF=粉末床熔炼,BJ=粘结剂喷射,SL=薄板叠层,MJ=材料喷射)。

图3.废品率的过程比较。

图4.制造过程中所需消耗品和支撑结构数量的过程比较。

  DED工艺结合了AM工艺和自动化复合制造工艺的许多优点:

  1、热塑性基体的原位固结缩短了热固性树脂的循环时间和生产步骤;

  2、使用AFEA和机器人制造单元进行快速和自动化生产;

  3、按需生产;

  4、用AFEA代替二维层的准各向同性叠加优化光纤路径;

  5、低空隙含量(<1%);

  6、几何复杂形状的精确定位;

  7、过程可重复性;

  8、近净形状几何学将废料减少到<5-10%;

  9、几乎不受限制的零件尺寸;

  10、True3D利用平面和平面外的连续光纤路径;

  11、小半径下至20毫米的平面内转向;

  12、2-3毫米薄单向墙;

  13、壁厚差异;

  14、打印复杂的几何图形,包括双曲面、接头(例如T-接头和Y-接头)、空心管;

  15、只要纤维的刚度可用于桥接(不超过120毫米),就可以在没有支撑结构的情况下打印空心管。

  此外,最近在SAMPE会议上提出的一篇论文表明,传统的复合预测工具适用于这一DED过程。这使得设计者能够基于一组全面的数据和对构件使用期限内所经历的各种复杂负载情况的结构分析来创建新的组合设计。例如,产生于这些新功能的第一批结构部件之一是带有或不带电驱动的可携带的3D打印自行车框架。然而,自行车只是一个开始,各种制造领域,如航空航天、运输和建筑,都可以期待在不久的将来有广泛的新设计、新形状和新零件。