金屬零件可以用3D打印復(fù)合材料代替嗎？Werco高性能PEEK和碳纖維制造

導(dǎo)讀：PEEK,、碳纖維復(fù)合材料和陶瓷纖維復(fù)合材料具有與金屬相似的耐溫性,、耐機(jī)械沖擊性和耐化學(xué)性,。由這些聚合物和復(fù)合材料制成的零件具有很多優(yōu)異的性能,，那么用3D打印的高性能聚合物材料和復(fù)合材料部件代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造的金屬部件可行嗎？

Werco Manufacturing

△飛機(jī)和螺旋槳

Werco Manufacturing位于俄克拉荷馬州,，專為航空航天和國(guó)防進(jìn)行部件制造,。2020 年，Werco Manufacturing 擁有了兩臺(tái)Roboze Argo 500 3D打印機(jī)能夠進(jìn)行3D打印制造,，同時(shí)還能夠進(jìn)行鈑金制造,、焊接、CNC 加工和零件精加工,。Werco Manufacturing70%的制造任務(wù)來自軍方,，其余為商業(yè)航空公司。

南極熊3D打印網(wǎng)注意到，Werco 不僅為航空航天和國(guó)防制造最終用途零件,，還專門制造用于飛機(jī)訓(xùn)練設(shè)備（或稱為“教練機(jī)”）,。Werco首席運(yùn)營(yíng)官Andy Bartovick說：“我們能制作駕駛艙內(nèi)所有部件的'教練機(jī)’。 這些教練機(jī)可能像飛機(jī)機(jī)身一樣,，非常龐大和復(fù)雜,，或者像幾個(gè)組裝零件一樣簡(jiǎn)單�,？蛻羰紫雀嬖V Werco最終產(chǎn)品的要求,，包括它需要低保真、中保真還是高保真度,，然后制造車間根據(jù)這些要求生產(chǎn)教練機(jī),。”
Tip：教練機(jī)（Trainer）是訓(xùn)練飛行員從最初級(jí)的飛行技術(shù)到能夠單獨(dú)飛行與完成指定工作的特殊機(jī)種,。無論是操作軍用或者是民用飛機(jī)的飛行員都需要經(jīng)過一些相同的訓(xùn)練程序，使用類似的教練機(jī)完成基礎(chǔ)飛行課程,。

高保真的教練機(jī)需要盡可能在性能,、外觀等方面接近實(shí)際飛機(jī)，它們通常使用回收的飛機(jī)零件制成,。但是,，南極熊了解到，能夠回收的飛機(jī)零件越來越難獲得,。Bartovick指出,，空軍正在想盡辦法延長(zhǎng)飛機(jī)的生命周期，目前有兩三架飛機(jī)本應(yīng)在幾年后退役,，但空軍已經(jīng)將這些飛機(jī)的壽命又延長(zhǎng)了 10 年,、15 年或更長(zhǎng)時(shí)間。但即便當(dāng)它們達(dá)到壽命,，在終于能被回收之前,，軍方通常還會(huì)拿走其中能用的零部件，并通過MRO流程（Maintenance,、Repair,、Operations，可以稱為設(shè)備管理系統(tǒng),，也可以稱為維護(hù)保養(yǎng)系統(tǒng),，主要作用是在生產(chǎn)過程中對(duì)設(shè)備進(jìn)行領(lǐng)用、維護(hù)盤點(diǎn),、維修,、更新替換）將這些零件重新使用，所以最后真正能回收的零件通常是不可用的，商用飛機(jī)也是如此,，而且當(dāng)進(jìn)行回收時(shí),，還要冒著延長(zhǎng)交貨時(shí)間的風(fēng)險(xiǎn)�,！�

回收飛機(jī)的零部件越來越難,，好在現(xiàn)在有了新技術(shù)能夠解決這一問題。這一技術(shù)就是3D打�,�,！3D打印非常適合打印飛機(jī)的零件，因?yàn)檫@些零件通常很小且不需要批量化生產(chǎn),。不再需要進(jìn)行回收,、改造、制造等環(huán)節(jié),，大大提高了制造效率,。

Roboze Argo 500 3D 打印機(jī)


△兩臺(tái) Roboze Argo 500 3D 打印機(jī)

Werco還沒有引入金屬3D打印機(jī)，但它卻能夠生產(chǎn)與金屬零件性能相似的非金屬零件,，這是為什么呢,？
答案就是Werco增加了兩臺(tái)Roboze Argo 500 3D打印機(jī)制造飛機(jī)零件。這些打印機(jī)使用PEEK和碳纖維PEEK復(fù)合材料等高性能材料,，能夠生產(chǎn)性能與金屬部件相似的非金屬部件,。

Bartovick 指出，運(yùn)動(dòng)鞋中的功能部件通常會(huì)大量磨損,。傳統(tǒng)聚合物在這類應(yīng)用中不夠耐用,，但高性能聚合物（如 PEEK）和復(fù)合材料（如碳 PEEK）卻足夠耐用。高性能聚合物材料不僅能夠應(yīng)用在這種生活領(lǐng)域中,，還可以應(yīng)用在飛機(jī)零件上,。 Roboze 打印機(jī)的最大亮點(diǎn)就是能夠使用這些高性能材料進(jìn)行零件制造，可以說Roboze Argo 500為使用高性能材料而生,，它具有可以加熱功的打印室和打印板,，以及長(zhǎng)絲干燥和預(yù)熱系統(tǒng)，確保用戶可以準(zhǔn)確一致地打印高性能聚合物和復(fù)合材料,。

更好更快更強(qiáng)
Werco制造中心能夠通過車床或銑床將碳纖維PEEK零件進(jìn)行機(jī)械加工,。這有很多的優(yōu)勢(shì)，一方面,，通過增材制造和減材制造相結(jié)合的方式能夠更快更便捷地得到想要的零件,。另一方面，通過機(jī)械加工的方式去除3D打印零件的支撐可以減小誤差,，使零件具有高精度,。南極熊獲悉只要3D打印部件可以固定并且是實(shí)心的（或接近實(shí)心的），加工它就像加工金屬部件一樣方便。


△3D打印碳纖維PEEK零件和具有粉末涂層的3D打印碳纖維PEEK零件,。

碳纖維PEEK比ABS等傳統(tǒng)聚合物更堅(jiān)固,、更耐熱，并可以像金屬一樣加工,。碳纖維PEEK零件外層也可以進(jìn)行粉末涂層,，使其具有更高的耐熱性和保持負(fù)電荷的能力。

這些復(fù)合材料零件比傳統(tǒng)的聚合物部件更容易附著粉末涂層,。Bartovick指出,，許多的”教練機(jī)“ 的3D 打印部件都是涂漆的。3D打印零件的噴漆工藝與金屬零件相同,，但在對(duì)ABS和PLA等傳統(tǒng)材料進(jìn)行涂漆時(shí)需要格外小心涂漆室的溫度不能過高,，因?yàn)閭鹘y(tǒng)材料的耐熱性較低，而PEEK和碳纖維PEEK的耐熱性足夠高,，完全不用擔(dān)心噴漆室溫度過高的問題,。

降低打印成本的經(jīng)驗(yàn)
Werco擁有高性能材料3D打印機(jī)將近兩年了，Bartovick說Werco已經(jīng)擁有了降低打印成本的重要經(jīng)驗(yàn),。使用高性能材料的3D打印部件價(jià)格很高,，而且在某些應(yīng)用場(chǎng)景，并不需要性能如此優(yōu)異的零件,，若所有的部件都使用高性能材料，最終會(huì)導(dǎo)致成品價(jià)格過高,。所以Werco引進(jìn)了標(biāo)準(zhǔn)的 ABS 和 PLA材料,，使得Argo不僅可以打印高性能材料，還能打印標(biāo)準(zhǔn)帶材,，降低生產(chǎn)成本的同時(shí)使打印機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域更廣闊,。


△標(biāo)有重量的長(zhǎng)絲盒

由于大部分零件都是用高性能材料打印的，Werco會(huì)根據(jù)線軸上剩余的材料量組織生產(chǎn),。Bartovick指出,，高性能絲材價(jià)格昂貴，因此不希望出現(xiàn)一個(gè)卷筒沒有足夠的絲材而另一個(gè)卷筒還有剩余的絲材的情況,，這樣的”不同步“會(huì)造成打印失敗,，增加制造成本。Werco會(huì)通過卷筒上的燈絲數(shù)量判斷零件的打印情況,。南極熊獲悉,，Roboze正在開發(fā)軟件，使用戶在不影響部件打印的情況下切換中間細(xì)絲卷,，并且Werco正在努力尋找一種方法將較小的細(xì)絲融合在一起并重新纏繞它們,。

展望
Bartovick 表示，由于目前制造最終用途零件、內(nèi)部工具產(chǎn)品和原型/測(cè)試零件的任務(wù)量巨大,，Werco幾乎每天都在運(yùn)行這兩臺(tái)3D打印機(jī),。所以Werco正在考慮使用 Roboze Argo 1000（打印體積為：1,000 × 1,000 × 1,000 mm）來打印更大的零件。制造中心可以直接制造大尺寸零件,，而不必打印較小的零件,，通過組裝和涂漆獲得尺寸更大的零件。Werco還希望能夠使用新型高性能材料,，包括用短切陶瓷纖維增強(qiáng)的Helios PEEK 2005,。這種材料將具有更高的熱性能和高表面光潔度，使得后處理操作大大減小,。

Werco希望能將在教練機(jī)3D打印方面的成功轉(zhuǎn)化為實(shí)際飛機(jī)上的3D打印,。Bartovick 認(rèn)為，碳纖維PEEK具有優(yōu)異的耐機(jī)械沖擊性,、耐熱性和耐化學(xué)性,，可代替金屬部件。這些零件可以進(jìn)行機(jī)加工以確保嚴(yán)格的精度,，并像金屬零件一樣涂漆或涂層,。他還指出，碳纖維PEEK零件比3D打印金屬零件需要更少的后處理,。

Werco 已經(jīng)注意到了航空領(lǐng)域?qū)π∨�量和一次性零件的需��,。Bartovick說：“俄克拉荷馬城的Tinker Air Force剛剛提供了一份備件清單，是一份 70 頁的Excel電子表格,，其中包含由于多種原因而難以獲得的零件,，這些零件要么沒有相應(yīng)的供應(yīng)商，要么過于復(fù)雜了,。因此,，我們正在查看該清單，希望可以使用3D打印技術(shù)制造符合規(guī)格的零件,。"

編譯來源：https://www.additivemanufacturin ... -printed-composites