從顆粒到結構件，逐層“層”長(cháng)——纖維增強結構件的快速增材制造

德國伊之密正在準備向市場(chǎng)推出一種將螺桿式塑化裝置固定在六軸機器人上的混合式制造單元。這一新式的加工方法實(shí)現了用顆粒和標準纖維增強混合物進(jìn)行結構件的增材制造。

汽車(chē)儀表板的一體化仿生載體結構概念研究(?SMP Deutschland GmbH)

增材制造工藝非常適用于通過(guò)CAD數據直接生產(chǎn)的三維零件，避免使用模具。因此，基于塑料的增材制造工藝廣泛應用于樣品的制作。在不久的將來(lái)，增材制造工藝很可能通過(guò)快速制造的方式取代以往成本高昂的單件或小批量產(chǎn)品生產(chǎn)。但是針對部分非必要的樣品要求，增材制造工藝仍無(wú)法全部滿(mǎn)足。比如，無(wú)法在短時(shí)間內成型有表面質(zhì)量要求的大型部件；由于材料、設備和性能的要求，無(wú)法實(shí)現高生產(chǎn)率，也無(wú)法使用既有的標準原料進(jìn)行生產(chǎn)。由此提出了一種新的方式，通過(guò)基于擠出實(shí)現增材制造（SEAM），并結合復合工藝經(jīng)濟地通過(guò)熱塑性原材料制造幾何結構復雜的大尺寸產(chǎn)品。

圖1：在2018漢諾威博覽會(huì )現場(chǎng)，運行的柔性增材制造系統，其打印結構件的產(chǎn)率為6克/分鐘(?IKV)

獲獎的內裝部件概念研究

由德國伯欽根的汽車(chē)行業(yè)供應商 SMPDeutschland 公司所做的一項概念研究，展示了一個(gè)大型增材制造的應用實(shí)例。這個(gè)167厘米寬，采用仿生結構的儀表板載體(標題圖)贏(yíng)得了2018年結構件的SPE汽車(chē)創(chuàng )新獎（汽車(chē)和塑料行業(yè)歷史最悠久、規模最大的獎項。）。它結合了橫梁、風(fēng)管以及安全氣囊、轉向柱、顯示屏和蓋板的安裝點(diǎn)。由于采用了經(jīng)拓撲優(yōu)化的輕量化設計，能夠有效地利用材料，從而降低材料消耗。此外，通過(guò)功能整合，消除了下游的加工步驟（比如組件的連接或固定），提高了機器的生產(chǎn)效率。在大幅減少模具投資的整體概念下，快速制造的方式能夠經(jīng)濟地小批量生產(chǎn)這類(lèi)結構件。

不過(guò)，這種載體結構的小批量生產(chǎn)目前還無(wú)法使用市場(chǎng)上已有的增材制造法來(lái)實(shí)現。一方面，現有的生產(chǎn)方法在零件尺寸、表面質(zhì)量、功能集成和生產(chǎn)周期方面都有局限，另一方面，增材制造的適用材料范圍也受到嚴重的限制。在使用基于線(xiàn)材的工藝時(shí)，制造商受制于線(xiàn)材生產(chǎn)商及其高昂的價(jià)格。此外，高強度塑料很少被使用，也阻礙了有特殊要求的力學(xué)性能部件生產(chǎn)。

德國亞琛工業(yè)大學(xué)的塑料加工研究所(IKV)推出了一種增材制造系統，該系統遠遠超過(guò)了基于線(xiàn)材的系統的能力。它具有可以不斷集成自動(dòng)化的能力，適合未來(lái)不斷改進(jìn)探索，發(fā)掘潛力。

復合生產(chǎn)概念，新型的應用領(lǐng)域

復合生產(chǎn)單元的基礎是基于螺桿的擠出系統。該系統實(shí)現了減材和增材制造的自動(dòng)化結合。IKV在2016年的IKV座談會(huì )上對它作了介紹，并在2016德國K展上將之公開(kāi)展出，此后一直在對它進(jìn)行持續開(kāi)發(fā)(圖1)。

它采用一個(gè)6軸工業(yè)機器人作為線(xiàn)性定位系統，克服了對零件尺寸和復雜設計的常見(jiàn)局限。為確?？芍貜统叽绲姆€定性和高水準的表面質(zhì)量，同時(shí)又不限制零件的復雜性，該系統在零件制造過(guò)程中集成了減材工藝(如銑削、鉆孔等)，從而將增材制造和機械加工結合在同一個(gè)生產(chǎn)系統內。這種方法可以集成嵌件，比如螺紋或軸承襯套、模壓成型部件、電子或陶瓷嵌件，并在構建過(guò)程中為部件配備額外的功能。為此，用于擠出和機械加工的驅動(dòng)器配備了標準的刀具更換系統，從而實(shí)現了高度的自動(dòng)化和靈活性。

復合系統的核心結構是可以使用塑料顆粒的基于螺桿的塑化裝置。相比于基于線(xiàn)材的生產(chǎn)方式，這使得在高產(chǎn)量和可調節產(chǎn)量下均能同時(shí)使用未增強和高增強的塑料進(jìn)行加工。除了產(chǎn)量增加之外，一個(gè)很大的優(yōu)勢是顆粒的價(jià)格(每公斤約為1至8歐元)要比線(xiàn)材(每公斤約20至500歐元)低廉得多，具體視特定的材料而異。與所有生產(chǎn)工藝一樣，最終結果還需要看所用材料的可加工性。本質(zhì)上取決于材料的尺寸穩定性(與收縮相關(guān))和機械性能(與粘接相關(guān))等方面。材料開(kāi)發(fā)商也需要尋找哪些之前適合用于批量生產(chǎn)加工的材料也適用于增材制造。

合格批量材料的適用性

可加工高增強塑料化合物的增材制造工藝，為材料選擇及其生產(chǎn)的零件性能提供了新的潛力。在窄公差范圍內生產(chǎn)高增強塑料化合物是德國下齊森Akro-Plastic公司的核心競爭力。

使用IKV的系統技術(shù)可以加工 Akromid B3 ICF 30，含30%碳纖的尼龍6（纖維長(cháng)度約為300μm）。這種材料已經(jīng)在注塑領(lǐng)域中使用。由于纖維增強化合物收縮率較小，故十分適合塑料增材制造。由于這種尼龍化合物具有良好的塑化和流動(dòng)特性，因此可以實(shí)現穩定的高速生產(chǎn)。在目前情況下，生產(chǎn)速度比基于線(xiàn)材層疊模型(FLM)快28倍。Akromid還提供1mm x 1 mm尺寸的顆粒，用以提高計量能力、進(jìn)料特性和保壓次數。

IKV對材料的廣泛測試表明，基于半結晶聚合物的零件性能在很大程度上取決于加工的溫度。塑化增材制造工藝的一個(gè)重要優(yōu)勢是聚合物分子和纖維的高取向性。沉積鏈內的取向性產(chǎn)生高度各向異性的力學(xué)性能(圖2)。

圖2：基于A(yíng)kromidB3 ICF 30 PA6化合物制成的增材制造零件的機械性能和基材溫度的關(guān)系（資料來(lái)源:IKV)

在纖維方向上，可以達到相當于注塑成型的拉伸強度(見(jiàn)圖2，紅色參考線(xiàn))。此外，基于擠出的增材制造中的層間壓力要比線(xiàn)材層疊模型(FLM)更高（通常高達數百巴）。這使得系統可以加工填料含量較高的熱塑性塑料，并提高沉積材料的機械性能。通過(guò)使用6軸的機器人，可以實(shí)現在產(chǎn)品需要強度的方向上進(jìn)行加強，實(shí)現徹底的3D打印。

基于這些研究， Akromid B3 ICF 30 9 AM 黑色(7451)是一種適用于增材制造的材料。

為產(chǎn)業(yè)化鋪平道路

通過(guò)與德國亞琛的設備制造商德國伊之密（Yizumi Germany GmbH）的合作，基于螺桿的增材制造系統正在邁向產(chǎn)業(yè)化。針對一個(gè)旨在實(shí)現產(chǎn)業(yè)化的方案，試驗機已在2018年德國國際塑料加工技術(shù)及設備展覽會(huì )(Fakuma2018)上成功展示，并將在2018年德國法蘭克福精密成型及3D打印制造展會(huì )(Formnext 2018)上亮相(圖3)。該系統采用平臺策略，既可實(shí)現增材和減材兩種工藝的結合，又可根據應用要求提供更簡(jiǎn)單、單獨基于螺桿擠出的解決方案。靈活的機器架構使得投資的成本相應下降。

圖3：Fakuma展會(huì )上展示了面向應用的試驗工廠(chǎng)，配備有快換系統模塊(? Hanser/F.Grundel)

這一系統概念可以結合現有（例如注塑或壓鑄組件）的生產(chǎn)鏈，通過(guò)增材制造的方式在后續加工功能結構。通過(guò)這種方式將注塑成型工藝與增材制造結合，從而經(jīng)濟地生產(chǎn)多物料產(chǎn)品。比如，諸如外殼部件等產(chǎn)品就可以通過(guò)增材制造實(shí)現局部密封或結構加強。而現在，多物料成型需要使用到兩個(gè)注射單元和兩套模具。在未來(lái)，注塑成型工藝與增材制造生產(chǎn)線(xiàn)的結合將能做到局部補強。在此介紹的高生產(chǎn)率系統技術(shù)將可以在注塑成型周期內對零件上進(jìn)行密封或加固結構。這將省去第二臺注塑機，并顯著(zhù)降低在模具上的投資。同時(shí)，生產(chǎn)的靈活性將得到提高，從而可以更經(jīng)濟地生產(chǎn)不同的產(chǎn)品版本。

結論

該項新工藝將通過(guò)德國伊之密及與整個(gè)價(jià)值鏈上各公司的技術(shù)合作來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)化。這種生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展將擴大增材制造的范圍，并逐步應用于批量生產(chǎn)。在材料方面，對現有系列化合物和新材料的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)將有助于這種技術(shù)的發(fā)展。在軟件方面，需要考慮到在不同方向上的力學(xué)性能的差異性。在打印路徑方面，需要更經(jīng)濟并且更高效的CAM系統去分析產(chǎn)品結構。硬件設備和原材料目前均有可以直接選用的。

作者

Christian Hopmann 教授，德國亞琛工業(yè)大學(xué)塑料加工研究院（IKV）主任

CelinaHellmich, IKV 增材制造科研助理

Nicolai Lammert 德國伊之密（Yizumi Germany）增材制造負責人 （郵箱：n.lammert@yizumi-germany.de）

Jan Dormanns博士, 德國伯欽根 SMP Deutschland 公司高級內飾開(kāi)發(fā)工程師

Jurgen Rinderlin, SMP公司高級外裝開(kāi)發(fā)工程師

Thilo Stier, 德國 Akro-Plastic 公司銷(xiāo)售及創(chuàng )新部負責人

Josef Zgrzebski, 德國 Akro-Plastic 公司應用工程師

文章翻譯來(lái)源：
Layer-by-Layer from Granulate to Part
High-Speed Additive Manufacturing of Fiber-Reinforced Structural Parts
https://www.kunststoffe.de/en/journal/archive/article/high-speed-additive-manufacturing-of-fiber-reinforced-structural-parts-7079955.html