聚合物定向能量沉積(DED)3D打印有什么好處？

來源：3D打印商情

導(dǎo)讀：近十年來,，增材制造一直是制造業(yè)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一,。這種增長得益于材料和設(shè)備開發(fā)方面的進步神速。然而,，設(shè)計工具并沒有以同樣的速度發(fā)展,。這與技術(shù)的多樣性有關(guān)，幾乎每個月都會出現(xiàn)新的變化,。這使得這些工具的大型制造商難以覆蓋甚至是部分覆蓋市場,。此外，材料和工藝設(shè)置的復(fù)雜相互作用,，以及增材制造部件的各向異性材料行為要求測試程序比產(chǎn)生更多各向同性材料性能的工藝要大得多,。因此，標(biāo)準(zhǔn)化測試和獲得高保真數(shù)據(jù)集的工作進展緩慢,，而且費用高昂,。

雖然金屬增材制造部件越來越多地用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用，但很少有塑料增材制造部件和工藝為此提供足夠的耐久性,。因此,，到目前為止，更大的努力主要集中在金屬和聚合物粉末床的融合過程上,。此外,，由于3D打印機和所需材料的低成本，許多研究小組一直致力于研究材料擠出(ME)工藝,。然而,，由于與傳統(tǒng)的、大批量的制造技術(shù)相比,，降低了零件性能,，并不適合于更多的最終用途應(yīng)用,。大多數(shù)數(shù)據(jù)不具備可比性，甚至顯示出很大的差異,，因此,，模擬工作進展緩慢，往往無法用實驗數(shù)據(jù)進行驗證,。

因此，信心水平仍然很低,，技術(shù)的適應(yīng)也很緩慢,。總部位于加利福尼亞硅谷的AREVO公司開發(fā)了一種技術(shù),，可以直接數(shù)字化制造超高強度,、重量輕的復(fù)合材料零件，以便在高容量的情況下應(yīng)用于最終用途,。最近,，該公司的研究人員開發(fā)了一種新的方法來克服這些挑戰(zhàn)。它屬于定向能量沉
積(DED)范疇,。

DED最為人所知的是金屬原料,，它可以是粉末，也可以是線材,，被送入激光或電子束的路徑,，隨著材料的沉積而熔化。線材工藝的通過率很高,，但就像所有金屬工藝一樣,，它需要一個受控的環(huán)境；在這種情況下,，它需要一種屏蔽氣體,。

由AREVO開發(fā)的聚合物DED使用熱塑性聚合物基體浸漬的碳纖維“絲”或長絲，但它不需要受控環(huán)境,。它能夠處理50%以上的碳纖維體積含量,，并具有先進的建模和軟件能力。對這些復(fù)合材料的力學(xué)性能進行了全面的研究,，為模擬提供了有價值的輸入和驗證,，并利用該軟件進行了可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化。

為了更好地理解DED的價值主張,，需要將其與其他過程進行比較,。在復(fù)合材料制造過程中，在高壓釜中固化是金的標(biāo)準(zhǔn),。這是唯一的工藝,，消除了所有的缺陷,，從材料和加工，如空隙,，樹脂富區(qū),，壓實不足，固化程度(僅對熱固性材料),。所有這些問題都會對零部件的機械性能產(chǎn)生不利影響,。因此，與其他制造技術(shù)生產(chǎn)的零件相比,，蒸壓構(gòu)件的強度和剛度最高,。由于需要減少資本投資、增加制造靈活性,、擴大零件,、減少消耗品和模具成本以及與芯片有關(guān)的問題(堆芯破碎和穩(wěn)定問題)，在零件性能允許的情況下,，使用越來越多的高壓釜(OOA)工藝,。根據(jù)經(jīng)驗，OoA處理通常達到蒸壓性能的50-70%,。

在現(xiàn)有的復(fù)合材料制造技術(shù)中,，熱塑性塑料和連續(xù)纖維增強同時使用的技術(shù)很少。使用熱固性通常需要兩步工藝的預(yù)成型和隨后的注射和固化,，例如,，內(nèi)翻、長絲纏繞,、編織和囊式成型或AFP,。在同時進行成型、注射和固化的情況下,，如RTM,、濕壓和拉擠，形狀非常有限,，而且總是需要雙面模具,。注射時間和固化時間仍然是時間限制因素，過快時會產(chǎn)生空隙和壓實不足的風(fēng)險,。


具有連續(xù)纖維的
熱塑性復(fù)合材料制造工藝如下：
定制纖維敷設(shè),，TFP，是一種拼接或縫合技術(shù),，使用上下縫合線將預(yù)定圖案中的CF粗紗等增強材料固定在基材上,。當(dāng)將含有增強纖維和基體纖維的混合或混雜紗線放置在一起以產(chǎn)生預(yù)成型件時，隨后可以使用壓縮成型工藝來鞏固零件。這使得TFP成為一個兩步的過程,，類似于需要模具的熱固性工藝,。

玻璃纖維熱塑性復(fù)合材料GMT在壓縮成型過程中，在熱塑性基體(主要是聚丙烯)中使用預(yù)浸漬的連續(xù)無規(guī)纖維增強材料,，在工業(yè)規(guī)模上生產(chǎn)簡單而又大型的部件,。隨機纖維取向使零件具有更準(zhǔn)備的相同性特性。

自動纖維敷設(shè),，AFP,，是一種利用熱和壓實力將預(yù)浸漬纖維拖曳放置在復(fù)雜工具上的過程。雖然該技術(shù)主要用于熱固性預(yù)浸料,，需要隨后的高壓釜固化,，但熱塑性拖曳也可以實現(xiàn)原位固結(jié)。雖然在一般情況下是非常靈活的,，它是最適合于復(fù)雜的彎曲層壓板結(jié)構(gòu)與量身定制的纖維取向。它僅限于大的平面內(nèi)轉(zhuǎn)向半徑的光纖和不可能放置在z方向,。

DED允許打印低于或等于50 vol%碳纖維的復(fù)合材料,，這是高性能所必需的，并且可以達到與其他復(fù)合材料制造工藝類似的大幅度降低組件重量的目的,。此外,，使用激光作為加熱機制會產(chǎn)生優(yōu)異的界面強度和打印速度，這將這一技術(shù)從原型發(fā)展到制造,，如圖1所示,。

圖1.連續(xù)纖維增強熱塑性長絲的DED 3D打印技術(shù)原理圖，該技術(shù)由激光熱源熔化,，由滾筒壓實生成三維物體,。

下面的數(shù)字比較了DED工藝與前面提到的連續(xù)纖維復(fù)合制造工藝以及增材制造工藝。

圖2.廢鋼率的工藝比較(FDM=熔融沉積模型,，SLA=立體熔積,，PBF=粉末床熔煉，BJ=粘結(jié)劑噴射,，SL=薄板疊層,，MJ=材料噴射)。

圖3.廢品率的過程比較,。

圖4.制造過程中所需消耗品和支撐結(jié)構(gòu)數(shù)量的過程比較。

DED工藝結(jié)合了AM工藝和
自動化復(fù)合制造工藝的許多優(yōu)點：
1,、熱塑性基體的原位固結(jié)縮短了熱固性樹脂的循環(huán)時間和生產(chǎn)步驟,；
2、使用AFEA和機器人制造單元進行快速和自動化生產(chǎn),；
3、按需生產(chǎn),；
4、用AFEA代替二維層的準(zhǔn)各向同性疊加優(yōu)化光纖路徑,；
5,、低空隙含量(<1%),；
6、幾何復(fù)雜形狀的精確定位,；
7,、過程可重復(fù)性,；
8、近凈形狀幾何學(xué)將廢料減少到<5-10%,；
9、幾乎不受限制的零件尺寸,；
10,、True3D利用平面和平面外的連續(xù)光纖路徑,；
11、小半徑下至20毫米的平面內(nèi)轉(zhuǎn)向,；
12,、2-3毫米薄單向墻；
13,、壁厚差異；
14,、打印復(fù)雜的幾何圖形,，包括雙曲面,、接頭(例如T-接頭和Y-接頭),、空心管；
15,、只要纖維的剛度可用于橋接(不超過120毫米)，就可以在沒有支撐結(jié)構(gòu)的情況下打印空心管,。

此外,，最近在SAMPE會議上提出的一篇論文表明，傳統(tǒng)的復(fù)合預(yù)測工具適用于這一DED過程,。這使得設(shè)計者能夠基于一組全面的數(shù)據(jù)和對構(gòu)件使用期限內(nèi)所經(jīng)歷的各種復(fù)雜負(fù)載情況的結(jié)構(gòu)分析來創(chuàng)建新的組合設(shè)計,。例如，產(chǎn)生于這些新功能的第一批結(jié)構(gòu)部件之一是帶有或不帶電驅(qū)動的可攜帶的3D打印自行車框架,。然而,，自行車只是一個開始，各種制造領(lǐng)域,，如航空航天,、運輸和建筑，都可以期待在不久的將來有廣泛的新設(shè)計,、新形狀和新零件,。（文/Natalie Rudolph博士，AREVO研究與發(fā)展副總裁）