低成本连续碳纤维3D打印可以将金属从汽车中挤出?

通用电气前董事长兼首席执行官杰夫·伊梅尔特(Jeff Immelt)相信碳纤维复合材料的高速、低成本制造可以将金属从汽车中挤出。

根据3D科学谷的市场观察,复合材料连续纤维的3D打印正在处于厚积薄发的节点上,而介于目前金属的3D打印多局限在航空航天及医疗这些高附加值产品的应用领域,3D科学谷认为当前的发展趋势使得塑料的3D打印将比金属的3D打印与应用端的结合面具有更加广泛的潜力。

本期,3D科学谷与谷友结合Arris的进展与谷友共同来领略碳纤维零件在实现轻量化方面的作用。

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替代金属零件的碳纤维打印

从事连续纤维复合材料3D打印生产级应用的创业企业Arris Composites 在2020年4月获得了4850万美金(约人民币3.4亿)的B轮融资,其目的是实现下一代大众市场的连续纤维复合材料3D打印生产级应用。

Arris 公司通过其专有的Additive Molding™ 制造技术,将增材制造工艺与模具工艺相结合,实现了高强度和轻量化复合零件的批量生产。这种新工艺以与塑料成型产品相同的速度生产高级碳纤维材料。

block 经济性及轻量化的结合

Arris的工艺吸引了众多行业的关注,其中一个原因是Arris的增塑成型零件能够比铸件整合更多的零件,一方面是碳纤维带来的经济性及轻量化的优势,另一方面是3D打印带来的结构一体化的优势。

Arris的工艺过程从干燥的碳纤维丝束开始,纤维束通过浸渍过程预浸成胶带和丝束形式。预浸料带可以是平坦的,或者可以直接形成所需的轮廓形状。Arris Composites 具有预浸料带的生产能力,未来该技术的一项发展是将料带(和丝束)直接送入下一生产步骤。目前,该公司提供的预浸带宽度为1到24英寸(约2.5-61厘米)。

接下来,专有的机器人设备将预浸料坯进行成型、切割并将其放入模腔内的最终位置。规定的预浸料准备就绪后,模具将合上并向复合材料施加热量和压力以进行固结和固化。

在该技术中,放置材料的机制与自动胶带铺放和通常意义上的3D打印过程有所不同,Arris 的技术是对预浸料进行成型,而不是在原地进行固结和粘结。这种方式可以提高预成型过的速度。

这样Arris可以打印连续的碳束,并沿着零件的应力矢量线缠绕整个零件。零件的结构以所称的“近净形状”打印,零件的纤维贯穿整个零件。总体来说,根据3D科学谷的了解,Arris的工艺可以使得零件更加复杂,并拥有很高的分辨率和形状控制能力。

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Arris展示的桁架展示了定向纤维增强的附加价值。如果将桁架的横截面与具有相同横截面积拉挤而成的桁架相比,Additive Molding工艺制造的整个桁架中的材料都得到了优化的定向。两种方式所用的材料量相同,但增材制造工艺所实现的复杂性释放了更优性能。来源:Arris复合

block 多点切入应用端市场

航空航天应用是当今碳纤维零件的主要市场,因此这是Arris产品的自然市场。根据3D科学谷的了解,举例来说通过碳纤维零件替代航空航天钛支架的情况下,碳纤维部件的重量减轻了78%

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Arris的工艺还可以用于创建复杂的无人机底盘,增塑成型不仅增加了强度并节省了重量,同时又将多个零件合并为一件,还具有能够嵌入电路的优势。在这种情况下,将天线放入底盘成型件可以提高接收效果。

到目前为止,Arris还瞄准了消费电子市场,希望能够提供诸如智能手机外壳之类的零件。因为这些部件更薄、更轻,并且通过3D打印能够将一些电线直接封装到外壳中,从而可以减少最终手机的厚度。通过3D打印,零件被削减到最低限度,消费电子公司重视轻薄性而不是强度,因此最终产品的刚度可与将要替换的塑料或铝制零件相媲美即可。

Part_Arris_5通过仿真判断碳纤维增强塑料零件替代金属零件的可行性。来源:Arris复合

而在汽车市场,汽车工业向电动汽车和智能汽车发展的趋势也发挥了Arris的优势。则需要通过发展的眼光来判断未来发展趋势。以飞机行业为例,1970年客机的复合材料为零,如今,波音梦幻客机是80%的复合材料。此外,以汽车行业举例来说,GE能够在1980年代用塑料零件代替汽车上许多无应力的钢零件,例如保险杠和空气滤清器外壳。增材制造的碳纤维复合材料零件可以以相同的方式成功地替换许多现存的零件,目前Arris已建立了与汽车生产商的合作。

根据3D科学谷的了解,汽车领域对于碳纤维复合材料3D打印最早的机会可能会落在诸如扰流板、方向盘或门把手之类的零件上,再逐渐走向取代大型结构部件的发展方向。

3D科学谷Review

Arris 公司的Additive Molding™ 技术能够以高通量的方式将纤维沿着所需的机械加载路径运行,并在需要的地方增强性能。市场上比较新的快速预成型方法,需要更多的设备投资以及更多切割和固结时间,并且难以达到Additive Molding工艺所能够达到的纤维排列水平。Additive Molding 工艺中的增材制造步骤,与其他高通量纤维复合材料技术相比,后续所产生的废料更少,从而极大地促进大批量生产应用中的经济性。

Arris Composites的技术已在多个市场上获得了应用,利用革命性的连续碳纤维增强功能使得产品更轻、更坚固、更智能。一方面,Arris Composites的解决方案满足了工业和汽车制造领域对寻求耐腐蚀高强度和耐用的玻璃纤维和碳纤维结构零件制造的需求。另一方面,Arris Composites的解决方案释放了消费品和体育用品品牌的创新潜力,使得消费领域可以通过提高产品性能和差异化来寻求新的商业优势。

复合材料的3D打印在2020年已经验证其发展三大趋势。一是我们将继续看到流程和系统的工业化,硬件与软件发展的结合将更加支持大批量生产。二是对系统进行更多的传感控制,以实现实时过程控制-热,尺寸和光学传感可提高过程公差。三是用于提高3D打印操作效率的新软件(例如,预处理工作流程,作业管理等)更加成熟,从而更深入的用于多材料零件的新设计和仿真。

总体来说,根据3D科学谷的市场观察,连续纤维3D打印已经成为一种不可小觑的3D打印新势力,下一步是发现更多的市场应用点,一点带面,开启该技术改变制造格局的新篇章。更多分析,请参考3D科学谷发表的一文看懂连续纤维复合材料的3D打印现状

 

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