涂慕尼黑LCC激光辅助磁带绕组和混合动力驱动轴演示

结合3D打印和磁带绕组
通过LCC制造的该复合驱动轴演示器使用端部配件的3D印刷负载引入元件以及朝向另一端的螺旋螺旋状钢筋。激光辅助胶带绕组结合了这些元件,形成了原位固结的连续碳纤维增强的外部。测试不同的材料,包括PC,PA和LM PAEK,短纤维增强打印机细丝和UD碳纤维增强胶带。照片信用,所有图片:墨西克碳复合材料椅(LCC)

2020年10月,连续波报告复合材料3D打印连续纤维并提供了正在开发的技术的景观,以及所使用的过程的分类。后者是亚历山大Matschinski的贡献,Alexander Matschinski,涂慕尼黑和碳复合材料的椅子(LehrstuhlFür碳复合材料,或LCC,德国LCC),研究助理和专家。

连续波再次与LCC合作,但这一次着眼于更大的添加剂复合材料制造(ACM)领域,特别是在接口在传统复合材料和添加剂制造之间(AM)之间。“我们看到了越来越多的技术,围绕我们的连续光纤3D打印进行分类,而是将自动复合材料制造与AM结合起来,并提供新的解决方案,直到现在,”LCC研究人员Thomas Wettemann。

不断发展的景观:连续光纤ACM与常规复合材料流程合并
虽然有粉末基添加剂复合材料制造工艺(ACM),但它们缺乏连续纤维增强的性能。对于后者,材料挤压是主要的工艺,但它现在正在与高度自动化的放置工艺杂交,以打开新的市场,并提供指向新的制造模式的解决方案。注意:图表中的图标显示的是选定的供应商,而不是完整的清单。图片来源:Alexander Matschinski,慕尼黑工业大学,碳复合材料(LCC)主席

LCC本身通过将自动纤维放置(AFP)和灯丝绕组(FW)与基于挤出的ACM相结合(参见“未来复合材料制造- AFP和增材制造”)。“我们也正在从传统的热塑性塑料挤压到3D打印热固性材料通过采用我们为树脂转移模塑[RTM]开发的技术,并结合超声波,”LCC副主任Swen Zaremba博士说。同时,LCC正在为ACM开发标准,并改进其材料和工艺。

注意,有一个更广泛的ACM景观,包括使用熔融沉积建模(FDM),使用磁导向填料和数字光处理处理的融合沉积建模(FDM),粉末纤维材料和高度定制部件处理的粉末状纤维材料,包括切碎的纤维填充细丝。(DLP), the latter developed by Fortify (Boston, Mass., U.S.). These processes do indeed produce composite parts and open new markets and applications, but this discussion will stay within the realm of continuous fiber reinforcement.

ACM是什么?

“我们通常先拥有这一讨论,以及开发这些新技术的动机,”Zaremba说。正如Wettemann在2019年1月SAMPE介绍所解释的那样,动机是超越批量生产的经济高效生产 - 包括一个大小的批量生产 - 也可以节省资源,最大限度地减少或消除垃圾,是环境和气候友好的。“它还提供了一种使复合材料过程链完全数字化的方法,”他补充道。“这是几十年变革方式的第一步。”

LCC对ACM定义的关键组件包括:

  • 长流程链简化为单点“盒内处理”
  • 全球合并/聚合用局部材料处理和反复出热处理
  • 无工具的生产

扎伦巴说:“ACM将以前漫长的加工链或多或少地集中在一个点上,就像在一个盒子里制造一样。”因此,Matschinski补充说,“你是在不使用模具的情况下,在盒子里加工材料并赋予零件形状。”双方都同意“盒子”可能是一个非常大的ACM单元,例如应急电池揭开了Electroimpact(Mukilteo洗。2020年。“ACM也可以在单个盒子之外使用,”Zaremba说,“例如,我们的工作是在较大的AFP部件上增加局部强化和较小的特征。”

然而,Wettemann指出:“我们现在看到了包含在自动化生产线或单元中的整个复合材料工艺链的例子,但这不是我们所定义的ACM。”相比之下,SCRAM单元能够在不使用工具的情况下加工材料和成形,方法是将原位固结(ISC)热塑性AFP头与熔融丝制造(FFF, FDM的另一个术语)3D打印头相结合。Zaremba说:“对我们来说,使用AFP进行原位固结确实是LCC中ACM的开始,因为当你进行放置或铺装时,你就创造了固化/固结复合材料。”

这就把我们带到了LCC对ACM定义的第二个关键点。Zaremba解释说:“在此之前,在热压罐、烤箱、加热工具或压力机中成型时,你总是需要一个全球性的巩固步骤,理想情况下,整个部件的材料处理和历史都是相同的。”“与ACM合作,我们将在当地进行热处理和巩固。”

Wettemann指出,ISC提供了一个从自动化复合材料制造进入AM世界的入口,“但这也给材料和加工带来了真正的挑战,因为这种本地材料处理也是重复的热处理。注意,一开始,我们只是为3D打印调整注塑材料。但随后我们意识到它并没有真正优化FFF打印。因此,公司开始修改印刷系统的材料,以应对树脂的反复加热和冷却,以及所需的速度和粘层和避免翘曲的需要。后者也是越来越多的公司寻求使用连续纤维的原因。”

LCC驱动轴演示

混合解决方案
这个传动轴演示展示了LCC如何使用添加剂复合材料制造(ACM)为连续纤维复合材料创造新的解决方案。

然而,整合连续纤维也会产生问题。“这就是我们被绘制的原因是ACM,”Zaremba说。“3D打印工艺承诺了很多结果,但是,结果没有提供我们预期的结构或航空航天应用的质量类型。我们可以看到使用连续光纤的高级复合材料之间的差距以及技术可以提供的技术。LCC旨在将这些世界聚集在一起并实现承诺的潜力,也可以将技术结合起来实现新的解决方案。“

两个世界的融合

LCC看到了许多这样的新解决方案,例如,添加剂成型工艺开发三角复合材料(加州伯克利,美国)和3D打印的融合键合单元9 t实验室(瑞士苏黎世),两者都是大批量流程。“这些过程都不会给添加剂过程中的最终部件形状,但使用这种模具类型和第二步,”Matschinski说。“所以,这不符合我们对ACM的定义。然而,这两种有趣的解决方案都结合了传统复合材料制造和AM技术。“

“9T实验室肯定在使用3D打印机,”Wettemann指出,“但要创建一个预制件,然后在数字化成型过程中进行处理,以创建轻量级热塑性复合材料组件,这是全新的,并针对以前无法使用复合材料技术的市场。”在这里,他提到了9T Labs的目标,即在注射成型无法提供足够性能的部件中替换金属。“在LCC,我们也研究了如何将无穷纤维引入注塑,但在注塑过程中很难对无穷纤维进行精确定位。”相比之下,9T实验室的技术为高性能部件提供了一种易于实施的制造方法。

Arris Composites具有不同的方法,但实现了一些类似的目标,尽管旨在零数量的尺寸更高。“我们不仅能够高批量生产的连续纤维部件,而且还增加了解锁动态部分整合的多功能性,”Arris复合材料的Riley Reese,Coders和CTO表示。“例如,我们将17个组件组件转换为单个部件,同时增加强度并增加诸如无线电透明度的性质。我们对压缩成型进行了成本竞争力 - 例如,SMC [片材成型化合物] - 但具有性能连续纤维。“

Arris复合材料添加剂成型工艺示意图

阿里斯复合材料公司将其工艺描述为“添加剂成型”。图片来源:Arris Composites

直接与间接ACM

回到LCC对ACM的定义,第三个关键要素承认了有和没有成型工具的制造之间的争论。”直接的方法是最终形状来自打印的地方——我从来没有工具,”Wettemann说。“优点是完全不需要工具制造。只要我们有霉菌,那么我们就在谈论间接或者我们谈论的是更传统的复合材料制造,然后由AM技术辅助。”

维特曼指出,这种混合方法有助于解决整合和工具等因素,这些因素会增加传统复合材料制造的成本和时间。“我们看到了新加坡科技大学数字制造与设计中心的发展Mikrosam从2015年到2017年,在那里,自动化机器人被开发用于生产先进的复合材料部件AFP型过程但没有工具,“他解释道。“所以,这是对ACM进行的,因为这两种方法都在没有工具的自由空间中成功的数字制造,但仍然需要进一步的发展。减少工具的需要是关键,因为这也为我们提供了制造复合部件和可以制造的组件类型的新可能性。“例如,拓扑优化和生成设计软件输出的非常有机负载路径确实追求了骨骼和树木等生物结构的效率,但它们非常难以用连续纤维制造。

LCC的未来发展

“在直接的部件制造中,我们看到你在景观中展示的同样的情况,这些线条正在模糊,我们正在迁移到更加混合的混合制造方法,”LCC研究人员帕特里克领事(见)3D打印CFRP模具RTM襟副翼,外骨骼和更多”)。今年早些时候,他的团队完成了使用基于激光的原型机器结合材料挤出和定向能量沉积[DED]的混合方法的首次试验,以在预先固结的层压板上打印,并且没有加热室的非常大的3D印刷品。“我们还在努力将ACM与铣削和AFP结合起来,这非常适合,因为它们都依赖于复杂的刀具路径,”他说。“它们之间的过渡变得相当简单,你不需要额外的训练。”因此,缩短了过程链,数字化和简化。

ACM的在线固结热固性AFP混合工艺示意图

热固性ACM
通过使用超声波和为汽车应用开发的材料挤出,使用热固性(TS)AFP将热固性(TS)AFP压缩在单点中压缩传统复合材料的过程链。

LCC还将RTM和3D打印技术相结合,推动混合技术的发展。Zaremba解释说:“这样做的结果类似于在飞行中固化,但我们希望不再使用紫外线固化树脂,因为当你想要建造更大的部件时,它们有点太贵了。”“相反,我们使用了一种新颖的超声波混合技术,这是我们为RTM开发的,现在我们将其应用于与汽车行业开发的廉价快速固化环氧树脂的典型挤出机中。”

Matschinski进一步解释了这项技术:“我们使用超声波振动来混合和固化环氧树脂,几乎是在打印过程中,当我们沉积浸渍纤维时。”这与德国布伦瑞克的DLR复合结构和自适应系统研究所使用的超声波有什么不同“降低连续纤维3D打印材料成本”)?Matschinski解释说:“DLR利用超声波振动改善热塑性基体渗入扩散纤维,以创造连续的纤维增强3D打印机长丝,然后使用传统材料挤压打印。我们使用超声波对连续纤维增强热固性长丝进行硬化。”

维特曼说:“例如,像Arris Composites、9T Labs和我们在LCC的团队这样的组织很有趣,因为它们有来自复合材料世界和AM世界的根基和员工。”“他们聚在一起创造新技术,帮助我们摆脱未来可能资源和增长有限的经济,与气候危机作斗争。它们提供了一条通往所需解决方案的道路。”

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