|
對于諸如直升機結構件這樣的大型零件來(lái)說(shuō)，通常需要幾噸到幾十噸的模具來(lái)完成注塑工作。而這樣的模具通過(guò)傳統的加工技術(shù)不僅昂貴，加工過(guò)程也充滿(mǎn)了挑戰。不但要求機床工作臺面能承受大重量,設備必須具有大承重和高剛性的特性,還必須有足夠大的臺面尺寸和工作行程與之相適應。由于模具的強度和硬度都很高,加上常常采用伸長(cháng)量較大的小直徑端銑刀加工模具型腔,因此加工過(guò)程容易發(fā)生顫振。為了確保零件的加工精度和表面質(zhì)量,模具制造的高速萬(wàn)能銑床必須有很高的動(dòng)、靜剛度,以提高機床的定位精度、跟蹤精度和抗振能力。
昂貴的設備，對加工工藝極端苛刻的要求，都使得大型零件的注塑模具成為模具制造中的一大挑戰。
3D打印技術(shù)為大型模具制造帶來(lái)了新的切入點(diǎn)。就拿PSU塑料來(lái)說(shuō)，這種塑料耐蒸氣、耐水解、無(wú)毒、耐高溫蒸氣消毒、高透明、尺寸穩定性好的塑料材料。這也為通過(guò)3D打印技術(shù)來(lái)加工PSU塑料模具，然后通過(guò)注塑完成最終產(chǎn)品的加工。對于小批量大型零件的制備，這是一種快、好、省的捷徑。
最近，普渡大學(xué)復合材料制造和模擬中心，Thermwood公司，應用復合材料工程（ACE）和Techmer PM的聯(lián)合團隊實(shí)現了通過(guò)3D打印PSU復合材料模具來(lái)實(shí)現直升機零部件的注塑目的。
圖片：通過(guò)3D打印模具所完成注塑的直升機零件
根據3D科學(xué)谷的了解，這可能是碳纖維增強PSU塑料首次成功地應用到3D打印工藝。通過(guò)Thermwood的大型增材制造（LSAM-Large Additive Manufacturing）系統對直升機的模具進(jìn)行了一次性3D打印與機加工工序。
圖片：3D打印的注塑模具
團隊的每個(gè)成員都在直升機零部件的生產(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(zhuān)業(yè)的PSU材料; Thermood公司提供了其LSAM技術(shù);而專(zhuān)注于航空航天工業(yè)的復合材料專(zhuān)家ACE則通過(guò)3D打印的模具來(lái)創(chuàng )建最終的直升機零部件。
為了將3D打印方法與傳統制造方式進(jìn)行比較，團隊專(zhuān)門(mén)做了兩種制造方式的經(jīng)濟性分析。根據分析結果，3D打印模具的材料比標準模具材料的成本低34％，在勞動(dòng)時(shí)間方面的生產(chǎn)速度提高了69％，3D打印模具只需三天時(shí)間就可以制造完成，而傳統的模具制造需要八天時(shí)間。
能夠將PSU材料用作模具，主要得益于LSAM強大的擠出系統，可以達到PSU加工工程中所需的高溫和扭矩水平。
Thermwood開(kāi)發(fā)的LSAM系統是增材制造工藝與機加工切削工藝的巧妙結合，由3D打印完成粗糙的模型輪廓，通過(guò)使用CNC銑床將零件加工到精確尺寸，在3D打印的過(guò)程中就可以同步配合機加工切削的運用，這款用于制造直升機零件模具的大型3D打印機的建造體積為10×20英尺。
隨后，直升機零件在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（玻璃化轉變溫度）372°F的情況下，這種特殊的PSU復合材料配方能夠滿(mǎn)足高達350°F的零部件注塑環(huán)境要求，根據3D科學(xué)谷的了解這足以滿(mǎn)足今天加工中大約95％的復合材料部件。當然，還需要進(jìn)行額外的測試以確定該材料在高溫下的適用性和耐久性。
 3D科學(xué)谷REVIEWThermwood公司的主業(yè)原來(lái)是生產(chǎn)數控加工系統的，現在他們研究的大型增材制造（LSAM－large scale additive manufacturing）混合制造系統，將3D打印和切削加工集成到同一臺機器上。 Thermwood的LSAM技術(shù)通過(guò)機器臂完成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(zhuān)門(mén)針對大尺寸的加工領(lǐng)域提供全套解決方案，目標市場(chǎng)包括設備工裝、模具、夾具、模型等多種應用，目標行業(yè)包括航空航天、汽車(chē)、游艇和熱成型。
帶機器手的3D打印除了Thermwood，還有BAAM、MX3D、Thermwood、Branch Technology、3D Systems、 LittleArm、Arevo Labs，以及Stratasys。
而B(niǎo)AAM系統在2016年就被美國橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室下設的風(fēng)能水能技術(shù)辦公室用來(lái)制造了一款巨大的風(fēng)電葉片模具。葉片模具長(cháng)達13米由BAAM系統分批次打印出來(lái)。根據3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，與Thermwood類(lèi)似的是模具都用到了碳纖維復合材料3D打印技術(shù)，不同的是BAAM系統的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(guò)機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(guò)，在集成3D打印與切削加工塑料材料于一臺設備方面，Thermwood可以稱(chēng)為行業(yè)的先行者。但就3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，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(zhuān)家CMS與2017年9月宣布與德國Fraunhofer機床和成型技術(shù)研究所（Fraunhofer IWU）建立了新的合作伙伴關(guān)系，并共同開(kāi)發(fā)熱塑性復合材料的3D打印與五軸銑削加工的混合系統。
Fraunhofer IWU將與CMS密切合作，開(kāi)發(fā)CMS Kreator，該系統將結合3D打印和機加工制造出高品質(zhì)熱塑性復合材料零件。CMS Kreator將會(huì )有一系列的配置和尺寸，并可容納各種各樣的基于熱塑性塑料的材料。3D科學(xué)谷了解到，這款設備可以在許多領(lǐng)域和行業(yè)得到應用，并將面向制造精密原型甚至特殊的零件生產(chǎn)。
隨著(zhù)更多的公司參與到復合材料的大型產(chǎn)品打印，3D打印正發(fā)揮有價(jià)值的意義：減少浪費，減少交貨時(shí)間，并提供更靈活的設計自由度，重要的是3D打印的模具比傳統模具更經(jīng)濟，3D打印的大趨勢將如何演變，3D科學(xué)谷將保持持續關(guān)注。
|
