Caracol大幅面增材制造（LFAM）解決方案為航空航天領(lǐng)域賦能

導(dǎo)讀：增材制造發(fā)展至今,，其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用重要性已經(jīng)不言而喻,。當(dāng)然,，這不僅僅只是指某個單一的增材制造工藝。航空航天行業(yè)的原始設(shè)備制造商（OEM）越來越多地針對各種用例選擇廣泛的 3D 打印工藝和解決方案,，從直接金屬激光燒結(jié) (DMLS) 到熔融沉積成型 (FDM) ）,，到大幅面增材制造（LFAM）。

在開發(fā)LFAM解決方案的廠商中,，意大利公司 Caracol是一家典型代表,，該公司可以支持航空航天制造商生產(chǎn)大型復(fù)合材料模具，并正在擴展其生產(chǎn)太空應(yīng)用大型金屬結(jié)構(gòu)零件的專業(yè)知識和能力,。Caracol公司獨特且多功能的 LFAM 解決方案（適用于復(fù)合材料和金屬）具有多種優(yōu)勢,，并使航空航天從業(yè)者者能夠達(dá)到更高水平的創(chuàng)新和效率。

Caracol 的 LFAM 解決方案

自 2017 年在米蘭成立以來,，Caracol憑借其應(yīng)用優(yōu)先的方法,，已成為 LFAM 領(lǐng)域的關(guān)鍵領(lǐng)導(dǎo)者。早期,，該公司只是一家 3D 打印服務(wù)提供商,，利用其機器人增材制造技術(shù)以及內(nèi)部設(shè)計和工程能力，為不同行業(yè)的合作伙伴生產(chǎn)一系列項目和合格的零件,。此后,，該公司又開發(fā)了聚合物和復(fù)合材料 LFAM 技術(shù)——Heron AM,，并將其商業(yè)化。這是一款 6 軸機器人 3D 打印機,，能夠生產(chǎn)無尺寸限制和復(fù)雜幾何形狀的零件,。該平臺自推出以來，在多家先進(jìn)行業(yè)知名OEM廠商得到應(yīng)用,。

大幅面 Heron AM 3D打印解決方案基于Caracol的專利硬件和專有軟件,，與多種材料（包括 PP、ABS 和玻璃纖維或碳纖維增強 PC）兼容,，為航空航天業(yè)帶來多項優(yōu)勢部門,，包括：

• 減輕重量
• 零件整合
• 靈活的生產(chǎn)計劃
• 專用材料
• 復(fù)雜的設(shè)計
• 更少的消耗
• 降低成本
  

最近，Caracol 還進(jìn)軍了金屬增材制造領(lǐng)域,，目前他們正在開發(fā)線弧增材制造 (WAAM) 系統(tǒng),。該技術(shù)適用于生產(chǎn)大型金屬部件，例如非結(jié)構(gòu)成品部件,、用于測試的結(jié)構(gòu)部件原型以及航天器的關(guān)鍵部件,。該系統(tǒng)目前尚未商業(yè)化，但它是Caracol幾個創(chuàng)新研究項目的核心,，其中包括一個針對航天工業(yè)的項目,，我們將在下文中進(jìn)一步介紹這一項目。

民用航空復(fù)合材料工裝

在民航行業(yè),，Caracol的HeronAM解決方案在復(fù)合材料模具的生產(chǎn)方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力,。例如，該技術(shù)已成功用于制造由玻璃纖維增強 ABS 制成的修整和鉆孔工具以及由碳纖維增強 ABS 材料制成的冷層壓工具,。這兩種工具都用于飛機機身的生產(chǎn)和維護(hù),。

修整和鉆孔工具用于飛機機身的建造和維護(hù)，以對鋁,、鈦和復(fù)合材料等材料進(jìn)行切割和成型,。機身部件必須尺寸精確并符合航空業(yè)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，因此飛機制造商必須有能力生產(chǎn)符合規(guī)格的高質(zhì)量修整和切割工具,。就其本身而言,，冷層壓工具也是飛機制造和維護(hù)中的重要部分。具體來說,，維修人員在現(xiàn)場維修機身系統(tǒng)時使用它們,，在機身部件的表面涂上一層薄薄的保護(hù)膜，防止腐蝕,、劃痕和其他操作損壞，從而有助于延長飛機的使用壽命,。

在生產(chǎn)這些航空工具時,，Caracol 使用了配備高流量 (HF) 擠出機的 Heron 300+ 配置,。該 LFAM 系統(tǒng)采用無導(dǎo)軌標(biāo)準(zhǔn)配置，能夠打印長度長達(dá)三米的工具,。兩種工具都是一體打印的,，最大限度地減少了組裝需求，并使用 CNC 加工進(jìn)行精加工,，以確保嚴(yán)格的公差和最佳的表面光潔度,。

與傳統(tǒng)的模具工藝相比，Caracol 的解決方案使航空制造商能夠減少材料浪費（高達(dá) 70-80%）,、減輕模具重量（減少 80-90% 以方便運輸和存儲）并將交貨時間縮短一半（從 12周至 5-6 周）,，這反過來又可以顯著節(jié)省 50% 左右的成本。

用于 eVTOL 飛機的固化工具

Caracol 還在探索將其技術(shù)用于固化模具的生產(chǎn)當(dāng)中,，特別是在 eVTOL 飛機（電動垂直起降）等領(lǐng)域中的模壓熱固性預(yù)浸料過程,。固化工具用于碳纖維層壓工藝，通常根據(jù)最終部件的幾何形狀進(jìn)行定制設(shè)計,。在電垂直起降飛行器生產(chǎn)中,，這些工具是由高性能復(fù)合材料制成的，例如聚碳酸酯,，其中含有 20% 的碳纖維增強材料,，并且必須能夠耐受中溫?zé)釅哼^程 (高達(dá) 180°C 和 6bar的工作溫度和壓力)。利用 LFAM 直接生產(chǎn)復(fù)合模具可以減少生產(chǎn)步驟（即不再需要主模型）,。此外,，由于增材制造的設(shè)計靈活性，該工具可以針對重量和搬運進(jìn)行優(yōu)化,，便于物流和存儲,。

Caracol 解釋道：“憑借其六軸和幾米寬的機械臂范圍，Heron AM 可在單個工作周期內(nèi)打印具有復(fù)雜幾何形狀的固化工具,，而無需組裝,。大多數(shù)情況下，打印后的模具會通過 CNC 進(jìn)行后處理,，以達(dá)到其工作表面所需的表面粗糙度和尺寸公差,。這也使我們能夠為模具配備凹槽，以便直接在模具中修整最終部件,�,！� 最終，eVTOL 飛機制造商可以通過使用 LFAM 生產(chǎn)固化工具來獲得競爭優(yōu)勢并提高生產(chǎn)效率,，因為它有助于減少浪費,、縮短交貨時間并降低制造成本。

金屬 LFAM 零件在太空中的應(yīng)用

Caracol 在航空航天業(yè)的影響力也超出了復(fù)合材料大型增材制造的范圍：該公司目前正在推進(jìn)金屬增材制造在太空應(yīng)用大型結(jié)構(gòu)部件中的應(yīng)用。在與太空物流公司 D-Orbit S.p.A. 和米蘭理工大學(xué)機械工程系的合作下,，Caracol 正在開展一個項目,，開發(fā)可安裝在運載衛(wèi)星上的壓力罐，用于將CubeSats運輸和釋放到軌道上,。這些緊湊的CubeSats可用于多種用途,，例如數(shù)據(jù)收集和研究，以及研究和商業(yè)應(yīng)用的電信和監(jiān)測操作,。

Caracol 在 TechFastLombardia 融資招標(biāo)（POR FESR 2014-2020）后參與了該創(chuàng)新項目,。簡而言之，該公司一直在使用其 WAAM 3D 打印解決方案— 基于金屬惰性氣體 (MIG) 焊接系統(tǒng) — 開發(fā)采用輕質(zhì)鋁合金 (AL2319) 制成的加壓罐,。與更傳統(tǒng)的纖維繞工藝相比,，增材制造的使用已經(jīng)帶來了多項優(yōu)勢，包括更復(fù)雜,、優(yōu)化的設(shè)計,、更少的材料浪費和卓越的減重效果。減輕重量對于該應(yīng)用尤為重要,，因為它可以顯著降低與衛(wèi)星發(fā)射相關(guān)的燃料和推進(jìn)劑成本,，并減少航天器發(fā)射過程中的尾氣排放。Caracol 的 WAAM 工藝還通過打印單件零件來簡化生產(chǎn)流程,。這消除了組裝殼,、芯、心軸,、配件等部件的需要,，并顯著縮短了交貨時間。

這個金屬增材制造項目在另一個層面上也具有重要意義,。正如Caracol解釋的那樣,，項目合作伙伴還開發(fā)了一種“數(shù)字流程”，它將軟件,、控制和自動化結(jié)合起來,，以管理創(chuàng)建金屬航空航天零件的端到端流程。這種數(shù)字流程使最終用戶能夠“在高度自動化和高效的工作流程中控制每個流程階段,，保證可重復(fù)性,，使 WAAM 技術(shù)成為傳統(tǒng)制造的有效且高效的替代方案�,！�

LFAM 在航空航天領(lǐng)域的挑戰(zhàn)和機遇

Caracol 的復(fù)合材料和金屬材料LFAM 解決方案符合航空航天增材制造的大趨勢,。該行業(yè)同樣對大幅面增材制造抱有很大的興趣，并正在與增材制造廠商合作,，克服該技術(shù)實施的現(xiàn)有限制和挑戰(zhàn),，以最大限度地發(fā)揮其效益和影響,。

當(dāng)今最大的挑戰(zhàn)之一與 LFAM 甚至更廣泛的增材制造技術(shù)缺乏相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證方法。正如 Caracol 所說：“增材制造硬件需要強大的質(zhì)量控制以及資格和認(rèn)證程序,，以確保質(zhì)量和一致性,。整個行業(yè)需要完善標(biāo)準(zhǔn)并達(dá)成一致,，以確保航空航天應(yīng)用增材制造組件的可重復(fù)性,、可靠性和質(zhì)量�,！�

換句話說,，LFAM需要認(rèn)證流程，才能使該技術(shù)完全適用于飛機結(jié)構(gòu)部件的生產(chǎn),。建立這些認(rèn)證流程的主要挑戰(zhàn)與幾個因素有關(guān),，包括缺乏詳細(xì)的表征和增材制造特性數(shù)據(jù)庫。幸運的是,，ISO 和 ASTM 正在制定和發(fā)展一系列增材制造標(biāo)準(zhǔn),，這將幫助增材制造供應(yīng)商滿足航空航天應(yīng)用的嚴(yán)格要求。例如,，Caracol 的 Heron AM 工藝持有 AS/EN 9100 認(rèn)證,，保證滿足航空航天應(yīng)用生產(chǎn)的嚴(yán)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

材料表征也是一個需要解決的重要問題,，特別是在 3D 打印復(fù)合材料方面,。自 20 世紀(jì) 80 年代以來，傳統(tǒng)制造的復(fù)合材料已經(jīng)改變了民用和商用航空,，通常用作金屬材料的更輕質(zhì)替代品,。因此，3D 打印復(fù)合材料的能力可以通過減少材料浪費并通過優(yōu)化設(shè)計進(jìn)一步輕量化部件,，為飛機制造商帶來更多機會,。更不用說能夠更快地生產(chǎn)復(fù)合材料零件并以經(jīng)濟高效的方式進(jìn)行小批量生產(chǎn)。隨著這方面的進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化和驗證,，復(fù)合材料的LFAM可能成為一種廣泛且極具優(yōu)勢的航空解決方案,。

最終，解決這些挑戰(zhàn)將使 LFAM 平臺在航空航天應(yīng)用越來越可行,，并使更廣泛的飛機原始設(shè)備制造商受益于這項技術(shù),。這些好處包括材料節(jié)約和重量減輕，這意味著更低的燃料消耗,；優(yōu)化性能的更復(fù)雜設(shè)計,；零部件整合，簡化了后期生產(chǎn)步驟,，如裝配和質(zhì)量保證,；更靈活的生產(chǎn)容量；最終縮短交貨時間并降低生產(chǎn)成本。