直升機(jī)大型零件3D打印的PSU復(fù)合塑料模具注塑過程
魔猴君 科技前沿 2565天前
對(duì)于直升機(jī)結(jié)構(gòu)件這樣的大型零件來說，通常需要幾噸到幾十噸的模具來完成注塑工作。而這樣的模具通過傳統(tǒng)的加工技術(shù)不僅昂貴，加工過程也充滿挑戰(zhàn)。不但要求機(jī)床工作臺(tái)面能承受大重量,設(shè)備必須具有大承重和高剛性的特性,還必須有足夠大的臺(tái)面尺寸和工作行程與之相適應(yīng)。由于模具的強(qiáng)度和硬度都很高,加上常常采用伸長(zhǎng)量較大的小直徑端銑刀加工模具型腔,因此加工過程容易發(fā)生顫振。
3D打印技術(shù)為大型模具制造帶來了新的切入點(diǎn)。就拿PSU塑料來說，這種塑料耐蒸氣、耐水解、無毒、耐高溫蒸氣消毒、高透明、尺寸穩(wěn)定性好的塑料材料。這為通過3D打印技術(shù)來加工PSU塑料模具，然后通過注塑完成最終產(chǎn)品的加工。對(duì)于小批量大型零件的制備，這是一種又快、又好、又省的捷徑。
最近，普渡大學(xué)復(fù)合材料制造和模擬中心，Thermwood公司，應(yīng)用復(fù)合材料工程（ACE）和Techmer PM的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了通過3D打印PSU復(fù)合材料模具來實(shí)現(xiàn)直升機(jī)零部件的注塑目的。
可能是碳纖維增強(qiáng)PSU塑料首次成功地應(yīng)用到3D打印工藝。通過Thermwood的大型增材制造（LSAM-Large Additive Manufacturing）系統(tǒng)對(duì)直升機(jī)的模具進(jìn)行了一次性3D打印與機(jī)加工工序。
3D打印的注塑模具
團(tuán)隊(duì)的每個(gè)成員都在直升機(jī)零部件的生產(chǎn)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用：Techmer PM是高性能定制聚合物的制造商，由他們提供了專業(yè)的PSU材料; Thermood公司提供了其LSAM技術(shù);而專注于航空航天工業(yè)的復(fù)合材料專家ACE則通過3D打印的模具來創(chuàng)建最終的直升機(jī)零部件。
為了將3D打印方法與傳統(tǒng)制造方式進(jìn)行比較，團(tuán)隊(duì)專門做了兩種制造方式的經(jīng)濟(jì)性分析。根據(jù)結(jié)果，3D打印模具的材料比標(biāo)準(zhǔn)模具材料的成本低34％，在勞動(dòng)時(shí)間方面的生產(chǎn)速度提高了69％。將PSU材料用作模具，主要得益于LSAM強(qiáng)大的擠出系統(tǒng)，可以達(dá)到PSU加工工程中所需的高溫和扭矩水平。
Thermwood開發(fā)的LSAM系統(tǒng)是增材制造工藝與機(jī)加工切削工藝的巧妙結(jié)合，由3D打印完成粗糙的模型輪廓，通過使用CNC銑床將零件加工到精確尺寸，在3D打印的過程中就可以同步配合機(jī)加工切削的運(yùn)用，這款用于制造直升機(jī)零件模具的大型3D打印機(jī)的建造體積為10×20英尺。
隨后，直升機(jī)零件在275oF和90PSI的高壓釜中成型。3D打印模具保持真空，不需要特殊的涂層，在Tg（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）372°F的情況下，這種特殊的PSU復(fù)合材料配方能夠滿足高達(dá)350°F的零部件注塑環(huán)境要求，這足以滿足今天加工中大約95％的復(fù)合材料部件。當(dāng)然，還需要進(jìn)行額外的測(cè)試以確定該材料在高溫下的適用性和耐久性。
Thermwood公司的主業(yè)原來是生產(chǎn)數(shù)控加工系統(tǒng)的，現(xiàn)在他們研究的大型增材制造（LSAM－large scale additive manufacturing）混合制造系統(tǒng)，將3D打印和切削加工集成到同一臺(tái)機(jī)器上。Thermwood的LSAM技術(shù)通過機(jī)器臂完成3D打印工作在切換到切削工作模式將多余的材料一次性去除，其使用的材料是Techmer PM的含20%碳纖維的塑料。
Thermwood可以打印10x10x5英尺的產(chǎn)品（約3x3x1.5米），快速的擠壓頭確保每一個(gè)新的層形狀和厚度是均勻的。Thermwood專門針對(duì)大尺寸的加工領(lǐng)域提供全套解決方案，目標(biāo)市場(chǎng)包括設(shè)備工裝、模具、夾具、模型等多種應(yīng)用，目標(biāo)行業(yè)包括航空航天、汽車、游艇和熱成型。
而BAAM系統(tǒng)在2016年就被美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室下設(shè)的風(fēng)能水能技術(shù)辦公室用來制造了一款巨大的風(fēng)電葉片模具。葉片模具長(zhǎng)達(dá)13米由BAAM系統(tǒng)分批次打印出來。與Thermwood類似的是模具都用到了碳纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù)，不同的是BAAM系統(tǒng)的3D打印工作完成后，葉片上面被覆蓋了一層玻璃纖維層壓板以獲得平滑的表面，而Thermwood采取的是通過機(jī)加工的方式去除多余的塑料材料以獲得精確的模具表面。
不過，在集成3D打印與切削加工塑料材料于一臺(tái)設(shè)備方面，Thermwood可以稱為行業(yè)的先行者。據(jù)悉，已經(jīng)有更多的公司看好大型塑料制品的混合加工。意大利加工專家CMS與2017年9月宣布與德國(guó)Fraunhofer機(jī)床和成型技術(shù)研究所（Fraunhofer IWU）建立了新的合作伙伴關(guān)系，并共同開發(fā)熱塑性復(fù)合材料的3D打印與五軸銑削加工的混合系統(tǒng)。
隨著更多的公司參與到復(fù)合材料的大型產(chǎn)品打印，3D打印正發(fā)揮有價(jià)值的意義：減少浪費(fèi)，減少交貨時(shí)間，并提供更靈活的設(shè)計(jì)自由度，重要的是3D打印的模具比傳統(tǒng)模具更經(jīng)濟(jì)。
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