用于3D打印复合材料的CEAD机器

增加了3D打印连续纤维复合材料的选择
CEAD从最初的CFAM Prime 3D打印单元发展而来(左上)到AM Flexbot基于机器人的系统,可选轨道,打印床和转盘(右上角)到混合印刷和铣床珠与贝洛蒂(右下角)。通过使用西门子NX提供一站式软件环境,它进一步提高了这种混合处理能力。照片信用所有图像:CEAD

CEAD(荷兰代尔夫特)成立于2014年。其商业产品包括gantry-based和机器人系统,使3 d印刷有或没有大规模连续纤维- 4米长2米宽x CFAM '细胞高1.5米,宽2米是Flexbot机器人与长度5米,当安装在轨道上。这些系统的打印头是CEAD机器人挤出机,它使用热塑性颗粒/颗粒作为原材料,以降低成本。它还作为独立组件出售,用于改造现有的机器人或数控机床。该公司现在还销售加热打印床和转盘。

消费者导向的演变

这种模块化方法允许CEAD根据不同的需求定制机器。例如,几乎在AM Flexbot发布后不久,就有人要求将其与铣削结合起来。CEAD业务发展主管Charléne van Wingerden表示:“我们现在可以在一分钟内完成从3D打印到铣削的工具更换。”

该公司随后开发了45度印刷技术。“我们从基于机器人的系统开始,现在正在将其集成到龙门系统中,”van Wingerden说。“我们基本上是旋转喷嘴来调整挤出机的角度用于龙门式系统.这有助于解决打印支持的问题。对于大型3D打印,我们避免使用支架,因为它使用了太多的材料。所以,45度打印是一种打印悬垂的方法没有支持。这样,打印层的长度就会短得多,这就避免了打印珠冷却时间过长而导致层间粘附问题。”

下一个要求,当然是更大的印刷量。今年4月,CEAD宣布与CNC机床供应商Belotti的合作伙伴关系(Suisio、意大利)。“我们开始自己制造大型混合动力龙门系统,但这不是我们的专长,”van Wingerden说。“我们的伙伴关系Belotti提供两个世界最好的东西——我们会的将3D打印技术集成到CNC龙门系统中结合细胞。”由此产生的混合BEAD机器将提供一系列的印刷卷- 6-50米长,宽2.6-11米,高1.5-5米,起价45万欧元,可定制配置。

混合BEAD机和CEAD机器人挤出机E50

图1所示。扩大打印量和速度
新的BEAD混合机集成了CEAD打印头和Belotti数控系统,以实现更大的打印量,而新的CEAD机器人挤出机E50提供50-80公斤/小时的材料输出更大的打印。

有了更大的机器,下一个要求就是更大的材料产量。“我们一开始的挤出机产量是12公斤/小时,”van Wingerden说,“但现在我们推出了E50挤出机,产量超过80公斤/小时。这将是珠子机的特色,以及12公斤/小时,但也可用于我们的其他系统。”E50是与物料运输系统,和一个集成的400升干燥器的球团可以添加。“E50螺杆直径为50毫米,和我们测量输出的84公斤/小时PP30%GF[与碎玻璃纤维增强聚丙烯在30%按重量)最大速度的60%,”她说,并补充说喷嘴直径E50范围从8到20毫米。

迁移到西门子NX软件

CEAD编写了自己的软件,包括使用Grasshopper插件的切片器犀牛3 d建模软件(Robert McNeel & Associates,西雅图,华盛顿州),美国)。“但现在我们正转向西门子NX [西门子数字工业软件范文格登解释说:“这是因为当我们在电池中添加研磨时,它就有了更多的功能。”“我们必须开放我们的软件,把所有的系统组件和操作放在一个环境中。”

Jasper Klein Mentink是CEAD的首席应用程序开发工程师,他编写了Grasshopper应用程序。“这让我们能够确保打印出来的零件是充分接近净形与精密铣削的思想深入研究一下刀具轨迹打印珠子,但我们还缺少一些方法来模拟整个机器人和细胞,”他说。CEAD已经有一个与西门子合作并在2020年底决定将其软件迁移到西门子NX环境。

西门子NX的CEAD 3D打印系统仿真 CEAD 3D打印系统

图2所示。模拟过程
CEAD迁移了西门子NX软件,它允许每个系统组件——龙门,机器人,打印头,跟踪,甚至表和热塑性颗粒干燥器——模拟和优化以提高准确性和过程控制,变得更加关键CEAD细胞杂交包括铣和自动化纤维位置(法新社)。

Mentink解释说:“在西门子的帮助下,我们正在NX CAM环境中开发一个CEAD层。“整个CEAD系统都在那里——机器人、打印头、打印工作台、铣削头——可以进行模拟。这让客户更容易,因为他们不需要自己开发打印后处理器或编写任何程序。”这是一个关键点,因为每个细胞都是不同的。“例如,”Mentink说,“现在我正在为客户制作一个AM Flexbot单元,它将有轨道、转盘和大型打印床。基本上,我可以制作NX中的每一台机器并模拟它。一切都是动态的。”他展示了一个机器人如何拿起挤出机打印头或主轴进行铣削的例子,软件模拟了这两种操作之间的工具变化。“你可以看到发生的一切,而且被印刷的珠子或在研磨过程中被去除的材料的数量,”他说。“最重要的是,该程序将确保机器人和末端执行器在操作过程中不会与任何东西相撞。”

Mentink解释说,自动纤维放置(AFP)也可以被纳入。“我可以有我们的打印头或AFP头,并配置它如何我们想要的操作。如果我们把这个系统设置得和我们机器上的西门子NX机器人控制器一模一样,那么AFP头将在这里模拟它在实际过程中是如何操作的。”他补充说,用户需要的一切都在这个环境中。NX也是一个CAD环境,所以你可以设计零件,并编写每一个打印、铣削或AFP操作所需的程序。如果零件需要更换,这些操作就可以重新进行,以反映变化,这是把所有东西放在一个包里的另一个好处。”

更新,准确性和数字双胞胎

Mentink表示:“随着我们继续开发NX,将根据客户需求提供更多定制功能和操作。”“这些服务将根据客户从我们这里购买的套餐,通过定期更新提供。我们将与西门子一起在这个环境中不断开发新的应用程序。这是一个很好的合作伙伴关系,因为机器人控制器也是西门子的。因此,模拟机器人的方式与它在现实生活中的行为完全一致,这对准确性和可靠性都很重要。”

机器人的准确性和可靠性确实是许多3D打印公司通过编写自己的机器人控制软件来解决的问题。“这是事实,”Mentink说,“但是西门子开发的Run My Robot控制器软件可以实现0.1毫米以内的精度。因此,“运行我的机器人”可以让我们阅读G代码,非常精确地用机器人做出复杂的动作和形状,NX包允许我们编程和模拟一切,所以我们确切地知道将会发生什么。这种结合正是我们所需要的。”

Mentink指出,CEAD正在使用西门子数控控制器所有的解.“这是一个巨大的优势,”他说。“例如,我可以在任何客户的任何CEAD单元中加载设计的部件并测试操作。我们还将能够数字化委托机器人,因为我们将拥有每个细胞的精确数字双胞胎。”但是,数字双胞胎的部分呢?Mentink表示,这是NX的另一个好处:“它使我们能够为客户添加每个部件的特定工艺数据,如温度等。我们现在正在寻找最好的方法来真正控制印刷过程,也与铣削和/或AFP的组合。了解打印过程中到底发生了什么非常重要,这样我们才能为下一次操作提供所需的准确性,并开发正确的传感器来收集数据。”

扩展应用程序

CEAD的客户群多种多样,从海洋工程和建筑公司Royal Roos(荷兰鹿特丹)和复合材料制造商Poly Products(荷兰Werkendam),它们在海洋、建筑、工业、娱乐和运输部门工作,主要复合材料研究团队和大学,包括斯图加特大学(斯图加特,德国),苏黎世联邦理工学院(苏黎世,瑞士)和碳复合材料主席(Lehrstuhl für碳复合材料或LCC,在慕尼黑技术大学(TUM,慕尼黑,德国),仅举几个例子。该公司还向电动汽车(EV)部门出售了一套系统,航空航天级供应商GKN慕尼黑是其首批客户之一。

“GKN慕尼黑在2018年联系了我们,我们与他们合作开发了用于热压罐固化预浸料部件的系列生产工具,”van Wingerden说。Thomas Herkner在GKN Aerospace Munich上发表的题为“用于复合材料襟翼生产的3d打印轨迹增强器介绍”的报告中讨论了这些部件,该报告是慕尼黑工业大学2020年研讨会的一部分未来复合材料制造- AFP & AM增强剂用于生产空客A350和A330的碳纤维增强聚合物(CFRP)着陆襟翼,并使用短切碳纤维增强材料打印。

CEAD打印工具为GKN慕尼黑用于高压灭菌固化空中客车襟翼

图3所示。系列生产高压釜模具
CEAD向西门子NX的迁移不仅提供了模拟3D打印系统的能力,还提供了模拟材料和工艺的能力,以准确预测性能。例如,在GKN Munich的碳纤维增强工具中,这是必要的,然后对其进行切割和加工,以提供多种增强剂,用于热压罐固化系列生产空客A350和A330的着陆襟翼。

van Wingerden指出:“我们现在正与GKN合作,开发一种特殊的3D打印工艺,作为与慕尼黑工业大学、Hufschmied [Bobingen,德国]和空客[德国]共同资助的一个为期两年的项目的一部分。”该项目于2021年5月启动,旨在开发一种高温热塑性塑料用于航天结构部件3D打印大面积复合材料固化工具的连续纤维。她补充说:“我们的目标是在GKN Munich将这项技术投入批量生产。”该项目代表了Herkner在慕尼黑工业大学研讨会上提出的纤维增强热塑性塑料增材制造四阶段路线图中的第二阶段,第四阶段重点是连续纤维结构部件——即飞行航空结构。

另一方面,CEAD最近为德国的一个超级游艇项目打印了一个舱口,使用玻璃纤维增强ASA(丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯),一种非晶态热塑性塑料,可替代ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)。3d打印的部件取代了铝,减轻了60%的重量。van Wingerden说:“我们期待与该客户开展进一步的项目,探索3D打印的可能性。”“这确实是CEAD从一开始就关注的重点,帮助我们的客户生产更便宜、更高性能、更可持续的部件,并继续开发他们未来所需的技术。”

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