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硅谷AREVO连续碳纤维复合材料3D打印 将革新碳纤维制造
来源:维科网  作者:  发布时间:2020-06-21 15:56:06

原标题:硅谷AREVO连续碳纤维复合材料3D打印,将革新碳纤维制造

  南极熊了解到,美国硅谷初创公司AREVO最近的发展势头迅猛。2020年6月初,AREVO宣布,他们已经开始建设一个世界上最大的高速连续碳纤维增强聚合物(continuous carbon fiber reinforced polymer ,即“CFRP”)复合材料增材制造工厂,以制造即服务(manufacturing-as-a-service,MaaS)的模式来运营,规模化快速生产定制产品。连续碳纤维增强聚合物复合材料的强度重量比是钢的60倍以上,可用于专业级自行车、一级方程式赛车和最新一代战斗机等产品。

  随着Arevo完成第二代复合材料沉积技术升级,速度是第一代的四倍以上,计划在一个亚洲城市中部署数百套生产系统,具备满足客户对大型和几何复杂的CFRP产品快速制造需求的能力。“这将成为我过去20年里,在3D打印行业看到的,最雄心勃勃、最有趣、最有前途的应用之一。”Arevo联合创始人兼董事长Hemant Bheda表示。

  3D打印,将革新传统碳纤维复合材料制造

  碳纤维复合材料重量轻、强度重量比高,使其成为某些金属零件和结构的理想替代品,因为它们可以降低材料成本、提高机械性能。“复合材料已经有25年以上的历史,但其市场渗透率极低,”Hemant Bheda说。“我们认为,最重要的原因是因为其成本太高,需要手工劳动和多个步骤,以及需要很长的时间才能推向市场,通常是12到18个月。”

  即使采用最先进的自动纤维贴装(AFP)技术,复合材料制造也需要对金属模具进行精密的数控加工、真空封装和烘箱固化。这工艺无法应对复杂的设计,必须将几个部件分开制造,然后手工粘合在一起,从而引入可能的人为错误。另外,像飞机机翼这样的大型部件必须在烘箱中烘很长时间,消耗大量能源,Bheda说。“现在,随着不同领域创新的融合,特别是计算能力和基于机器人的自动化,是时候对技术进行转型升级了。”

  Arevo公司利用其专利软件算法、碳纤维材料和机器人3D打印技术,实现复合材料部件生产的制造即服务。|

  Bheda称:“我们的系统完全省去了手工劳动和烘箱固化的步骤,通过我们的软件和全自动机器人3D打印机,我们可以快速制造碳纤维制品。”

  连续纤维

  碳纤维复合材料是由薄薄的、非常结实的碳晶丝组成的,这些碳晶丝被混在聚合物基质中;基质将纤维固定在一起,形成坚固的结构。具有很高的刚度和拉伸强度,重量轻,并具有很高的耐化学性和耐温性。

  目前,其他复合材料3D打印机,可以把由几微米长的切碎纤维组成的长丝,嵌入热固性塑料长丝中,实现3D打印零件。但能做出的尺寸是有限的。而Arevo的系统可以打印更大的物体,达到1立方米。

  Arevo系统使用的长丝材料是由PEEK基体制成的,里面嵌入了航空级的连续碳纤维。

  PEEK是一种常见的可回收塑料材料,提供比其他热固性材料更好的机械性能。Arevo的材料直径为1.2毫米,包含12000束平行的连续碳纤维,每条纤维的直径为5至6微米。

  在纤维长轴方向上,连续纤维使其性能比切碎纤维,有一个数量级的提升。强度是钛的五倍,而重量只有钛的三分之一。

  设计、打印、生产

  除了向客户销售制造的零件,Arevo还卖3D打印机。2020年2月,他们在日本卖出了第一套系统,安装在位于东京的AGC公司,到2020年第一季度末,全球至少有4个制造工厂安装了这样的系统,开始制造零件,并计划到年底在全球拥有10个客户。

  “通过我们云端软件,成千上万的设计师现在可以访问它来创建以前从未实现过的零件,”Bheda说。“而且通过全球打印机网络,他们可以按需打印他们的设计。”

  其网络软件为制造复合材料提供了一个端到端的解决方案,从一个3D模型开始,软件会进行分析,并为纤维生成一个最佳的几何排列。

  连续碳纤维复合材料通常表现出各向异性,这意味着一些性能会根据它们沿几何平面/轴的部位而变化,控制纤维的几何排列结合零件需求的载荷,是非常重要的。

  此外,软件还可以通过去除材料和推荐最有效的设计来协助设计过程,以满足零件可能遇到的实际操作条件。接着,它会计算出所需的复合材料数量,并生成使用Arevo的3D打印技术制造零件的指令。

  系统还收集零件在制造过程中的数据,创建一个数字双胞胎,精确体现零件的打印状态。这些数据可以用于质量保证,为检测和分析提供强大的助力。

  激光DED

  除了在软件和材料方面的突破,Arevo还开发了一种基于激光DED(即直接能量沉积)的专利3D打印工艺。

△Arevo的核心技术:DED工艺。

  激光束熔化刚加上去的聚合物细丝和上一层沉积打印的材料,形成液-液界面。同时,使用一个滚轴施加压力,将层与层之间的空隙率降低到小于1%,达到消除分层横截面的目的。其实这思路和中国武汉华中科技大学张海鸥教授的“微铸锻”金属3D打印技术类似,但后者使用的金属材料,而不是高分子聚合物

  DED工艺使用激光源来熔化聚合物长丝,同时也熔化之前沉积的材料,以创建一个液体到液体的界面,实现原位巩固( in-situ consolidation);同时,它还施加了一个压力,将空隙率降低到1%以下,消除了层,使截面看起来更均匀。

  这种复合3D打印工艺,实现高性能,可以初级航空航天结构上使用。

  3D打印碳纤维自行车

  传统的复合材料自行车车架,需要18个月的时间来设计和投入生产;但连续纤维3D打印技术可以将时间缩减到几周。车架制造商通过打样试错,建立超过20次的设计迭代。当他们确定一个设计时,就手工制造一个原型车,骑上去,然后改变设计;如此重复。然后,安排工厂来制造自行车,通常是在中国。经南极熊3D打印网查询得知,高端自行车车架厂商,基本上都是在中国生产。

  工厂制造的复合材料车架是由27到30个不同的零件手工制作而成,最后粘合在一起。而Arevo的系统,所有的设计工作,包括分析和优化,都可以通过软件来完成的,大大降低研发成本;同时3D打印一个整体单一部件,连续纤维智能放置在车架内,提供前所未有的结构完整性和稳定性。

  “如今,在生产的200万个复合自行车车架中,99%都是中国制造的。”Arevo联合创始人兼董事长Bheda说。“我们相信,随着技术的进步,成本结构将发生转变,三年后,手工制造自行车车架将被颠覆,被淘汰。”

  Arevo还在研究其他一些应用,包括自行车和滑板车的车轮。用于运输包裹的商用无人机制造商对复合材料的轻量化很感兴趣,还有网球拍和溜冰鞋(用于连接金属叶片和靴子的结构)在内的运动设备制造商。

  中国的连续碳纤维3D打印

  据南极熊了解,中国连续碳纤维3D打印方面的创业团队非常少,但也有一些研究相关技术的大学和研究所团队。

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