2019/06/03
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荷兰开发连续纤维复合材料3D打印技术
对于追求大批量生产以及小批量复杂、精密产品制造的应用来说，连续纤维复合材料3D打印技术都可带来光明的前景，这也是为什么近年来，大学研究机构、大型制造企业、小型初创企业以及成熟的复合材料公司都在不断推出新的技术和产品，以实现连续纤维复合材料3D打印，空客资本公司也投资其中。本文介绍的荷兰技术就值得一看，它可以在一个打印过程中同时使连续增材纤维、短切增材纤维以及未增强的聚合物颗粒，拥有完全自动化的制造工艺以及先进的温度监测系统。
复合材料世界杂志5月刊文称，连续纤维增强复合材料的3D打印正不断扩展和发展。自Markforged公司于2014年宣布推出Mark One连续纤维3D打印机以来，已经出现了许多新的公司和开发项目。荷兰CEAD公司就开发了自己的连续纤维复合材料3D打印技术。
一、在一次打印中使用和不使用连续纤维进行打印
CEAD由Lucas Janssen与Logtenberg一起创立。Logtenberg表示：“我们为这个行业制作了许多不同的3D打印机，我正在调查市场，并感觉缺少适合真正工业应用的大规模材料打印。与单独使用热塑性塑料相比，你需要更多的强度。因此，我们开发了自己的专利技术。”
“我们仍然需要使用短纤维和不用纤维来打印。”这就是为什么CEAD的连续纤维增材制造（CFAM）技术能够使用连续纤维进行打印，并在同一过程中直接挤出未增强或短纤维增强的颗粒。“我们不需要更换打印头，我们将连续纤维放在熔体中间，因此两者同时挤出。但他们使用不同的驱动系统。连续纤维被推过打印头但预先浸渍以确保质量。”
Logtenberg表示，注塑和包塑复合材料以及压塑直接长纤维热塑性（DLFT）复合材料已经成为标准，直接挤出颗粒/粒状材料对工业生产来说更便宜。“这些材料必须在预打印前进行干燥，我们开发了自己的干燥机，它与CFAM机床相连。”
与包塑成型的热塑性复合材料类似，对于每次打印，在预浸渍的连续长丝和未增强的或短纤维增强的直接挤出材料中使用相同的聚合物。该公司已经加工了多种聚合物，包括ABS、PC、PEEK、PET、PLA和PP。他们正在探索PEKK和低熔点PAEK。
二、加热区和龙门架与机器人
目前，CEAD提供具有四个加热区的机器人挤出机，以及基于龙门的CFAM Prime机器，在挤出机中具有4×2×1.5米的构建体积和10个加热区。“我们在2017年开始开发，打印头基于通常与注塑成型一起使用的单螺杆挤出机。你需要逐渐加热材料不同区域，以便可以施加所需的大量压力（50-60巴）来挤出这么多材料。颗粒被转移到桶中，在那里熔化，然后压缩并推动它们。如果加热太快，挤出机中不会产生压力。”
为什么单独出售挤出机/打印头？Logtenberg表示：“客户还想要一个较小的机械臂挤出机来制造自己的机床，但不使用连续纤维，只需直接挤出。”那为什么要用CFAM Prime的龙门架呢？是因为精度和速度。“机器人确实擅长提供相对精度，但是他们从A点到达B点的方式是不准确的。通过3D打印，你必须持续精确地移动，以创建高质量的成品件。”
“另一个问题是速度，”他继续道。“我们希望工业生产的产量高，而且分辨率高。使用我们的挤出机的机械臂可以以4米/分钟的速度移动，这对于机器人来说非常快，但是龙门机可以以60米/分钟的速度移动。”
龙门架提供了速度，不过机械臂上的挤出机仍然提供多轴打印。“我们感兴趣的是使用多轴打印来克服当前的z方向的性能挑战（典型的切片打印）。我们首先开发了龙门架系统，但现在西门子推出了一种新的控制系统，可在机械臂上提供相同的控制。所以我们正在开发5轴机床，龙门架系统仍然更快，但这个新系统提供真正的多轴铺放。”公司设想结合两个系统，开发类似于5轴数控铣床配置的机床。
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