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

導讀：近十年來，增材制造一直是制造業(yè)發(fā)展最快的領域之一。這種增長得益于材料和設備開發(fā)方面的進步神速。然而，設計工具并沒有以同樣的速度發(fā)展。這與技術的多樣性有關，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，材料和工藝設置的復雜相互作用，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，標準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、大批量的制造技術相比，降低了零件性能，并不適合于更多的最終用途應用。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，技術的適應也很緩慢�？偛课挥诩永�福尼亞硅谷的AREVO公司開發(fā)了一種技術，可以直接數(shù)字化制造超高強度、重量輕的復合材料零件，以便在高容量的情況下應用于最終用途。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。對這些復合材料的力學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。在復合材料制造過程中，在高壓釜中固化是金的標準。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)有的復合材料制造技術中，熱塑性塑料和連續(xù)纖維增強同時使用的技術很少。使用熱固性通常需要兩步工藝的預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險。


具有連續(xù)纖維的
熱塑性復合材料制造工藝如下：
定制纖維敷設，TFP，是一種拼接或縫合技術，使用上下縫合線將預定圖案中的CF粗紗等增強材料固定在基材上。當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備的相同性特性。

自動纖維敷設，AFP，是一種利用熱和壓實力將預浸漬纖維拖曳放置在復雜工具上的過程。雖然該技術主要用于熱固性預浸料，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%碳纖維的復合材料，這是高性能所必需的，并且可以達到與其他復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打印技術原理圖，該技術由激光熱源熔化，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代替二維層的準各向同性疊加優(yōu)化光纖路徑；
5、低空隙含量(<1%)；
6、幾何復雜形狀的精確定位；
7、過程可重復性；
8、近凈形狀幾何學將廢料減少到<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)的復合預測工具適用于這一DED過程。這使得設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)歷的各種復雜負載情況的結(jié)構(gòu)分析來創(chuàng)建新的組合設計。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計、新形狀和新零件。（文/Natalie Rudolph博士，AREVO研究與發(fā)展副總裁）