連續纖維3D打印可能開啟無人機新熱潮

連續纖維3D打印技術正在隨著3D打印機的創新而迅速崛起，與以往的連續纖維增強3D打印相比，該技術能夠將生產速度提高100倍。本文介紹了面向大批量生產的連續纖維3D打印技術、面向復雜或精密結構的連續纖維3D打印技術，以及將速度與精度相結合的連續纖維3D打印技術。該技術的成熟，對于小型復合材料無人機、低成本復合材料無人機結構等應用的高效批產將是一個福音，成為3D打印無人機的新動力，進而開啟無人機發展新熱潮。

無人機上的復合材料用量屢創新高，甚至已經出現了極光飛行科學公司全復合材料3D打印噴氣無人機，然而，復合材料結構傳統上是一個需要忍受長開發周期的過程，這對于需要快速創新的無人機產業來說不是好事。不過近幾年，一種可以使得諸如碳纖維/聚醚醚酮(PEEK)零件開發周期縮短30倍的新技術已經面世——連續纖維3D打印技術。連續纖維3D打印技術正在隨著3D打印機的創新而迅速崛起，它既可以用于大批量生產復合材料零件，又可以打印特別有挑戰性的特征，例如高度復雜的幾何形狀或者需要極其精密制造的關重特性。該技術的成熟，對于小型復合材料無人機、低成本復合材料無人機結構等應用的高效批產將是一個福音。本文將介紹一些最新的連續纖維3D打印技術。

面向大批量生產的連續纖維3D打印技術

空客資本公司投資了Arevo公司的連續纖維3D打印技術，該公司開發的直接能量沉積(DED)工藝，可以將熱塑性預浸絲束打印成零件。DED工作單元由工業機器人、激光加熱打印頭和旋轉構建平臺組成，與以往的連續纖維增強3D打印相比，能夠將生產速度提高100倍。除了航空零件，Arevo的明星產品是與無人機框架結構類似的自行車車架，連續纖維3D打印技術使其開發周期從18個月縮短到了18天。Arevo于2019年2月啟動的新工廠擁有八個機器人工作單元，每個都能夠每天生產一個車架，包括打印本身以及后處理(例如，鉆孔)和用于噴涂的預打磨。在生產的第一年內，生產速度還將提高三倍，為了實現這一目標，Arevo正在努力實現“并行化”，即每個機器人運行多個打印頭和/或每個工作單元運行多個機器人。

Arevo還在研究更大的給料(大型絲束)，以求在速度和精度間取得平衡——使用小型絲束獲得特征豐富的復雜外形，但是工藝周期較慢；使用大型絲束有更高的生產速度，但是有轉向限制。為了在整個提速過程中保持質量和可重復性，Arevo應用了原位檢測和機器學習技術，以實時控制過程參數。打印機配有多個傳感器(例如測量高度、壓力、變形等)，系統軟件使用這些傳感器的數據根據需要調整工藝參數。這樣，當更快地運行機器人時，就可以確保沉積速率、加熱、固化和其他參數與基線匹配。Arevo構建了一個工藝的數字化模型，然后進行迭代和改進，現在已經得到了許多熱塑性塑料的許用值和工藝數據。

軌道復合材料公司也在致力于通過連續纖維增強3D打印工藝進行大規模生產，公司的模塊化機器人打印機專為最終產品的需求而設計，可以有很大差異。與Arevo的技術一樣，軌道公司的模塊化同軸擠出末端執行器、并聯機器人和非熱壓罐工藝的生產速度比以往的連續纖維增強增材制造速度快100倍。擠出噴嘴通過其中心孔供給基體材料，通過周圍的環形噴嘴供給纖維，并聯機器人通過團隊協作加快生產速度。

軌道公司的技術開發理念是“材料不可知論”，其技術旨在適應幾乎任何復合材料：塑料、陶瓷或金屬基體，包括熱固性塑料、熱塑性塑料和碳化硅；干燥、粘合纖維，從3～48K絲束；并且能夠結合銅或鋁線、納米材料、導電油墨或其他有助于實現多功能結構的選擇。與生產專業且成本更高的材料的企業不同，公司的研發工作正致力于面向標準的低成本材料優化打印技術，這是在大批量應用中具有成本競爭力的必要能力，這一點特別適合無人機類應用，投資一種設備既可搞定所有結構和功能零件。

圖2 雙機器人連續纖維3D打印機

瑞士9T實驗室于2019年2月開始對其CarbonKit進行beta測試，該測試旨在使現有的3D打印機能夠進行連續纖維打印，一個未公開的項目預計每年可生產約30000個零件，對于無人機3D打印來講已經足夠。CarbonKit系統利用了從開發連續點陣制作(CLF)工藝中獲得的知識。該系統旨在使用工業級廉價材料用作原料，拉擠復合材料棒，然后復合材料棒通過牽引單元進入熱可調節的擠出頭。系統可以與一系列熱塑性基體體系配合使用，纖維體積含量可達50%以上。該系統的另一個重要特征是能夠縮放擠出橫截面積，因此可以適應具有小絲束的高分辨率應用，以及具有大絲束的大幅面增材制造。

面向復雜或精密結構的連續纖維3D打印技術

南卡羅來納大學McNair航空航天創新與研究中心的研究人員與TIGHITCO和英格索機床公司合作，開發了用于高度專業化和要求苛刻產品的連續纖維增強3D打印技術。該技術是一種熔融長絲制造(FFF)方法，團隊已開發出了熱塑性復合長絲和機器人3D打印系統。系統將由英格索生產，使用配備有連續纖維沉積末端執行器以及西門子控制系統的工業機器人平臺，提供七個自由度。團隊開發技術的宗旨是，不希望用大型打印頭打印需要大量后處理的大型圖案，而是僅需最少后處理的打印。

McNair團隊認為該技術非常適合三種應用。首先是航空應用中的小批量制造，例如每架無人機僅需要一個特定高強度組件的應用，使得模具或芯軸難以成本劃算。其次是高度復雜的結構，比如加強網格，利用其他制造方法無法產生所需的強度質量比和剛度質量比。第三種是套印，這是一種在打印過程中插入組件并由此完全嵌入打印零件中的技術，可以實現零件整合。套印的例子包括在螺紋嵌入圈周圍打印，而不是通過打印后處理來添加它；或者在打印零件中嵌入RFID芯片或電子傳感器。自動絲束鋪放(AFP)的機身僅具有最小程度的集成，許多較小的部件用螺栓固定。而這項技術的亮點在于，如果使用熱塑性塑料制造復合材料零件，每次就是通過套印重新熔化以增加新部件。消除鉚釘、緊固件和粘接劑可以顯著改善這些航空結構。

圖3 連續復合材料公司3D打印機翼剖面

連續復合材料公司是連續纖維增強3D打印的先驅，2012年獲得了全球最早的工藝專利——CF3D。公司預計該技術將用于按需打印整架飛行器結構——無論是10件還是10000件，因為它具有充分的經濟性。CF3D使用快速固化熱固性樹脂(雖然也適用于熱塑性塑料)，將增強纖維浸漬在打印頭內，并在材料沉積后立即固化復合材料。熱固性材料使該工藝能夠在自由空間中執行高速打印。應用CF3D技術的纖維體積可達到50%～60%，而公司正在以多種方式繼續推進該工藝。最近的一些重要進展包括更加自動化的工具路徑生成；自動化的工具更換，可在同一部件上實現高分辨率單通道和高沉積多通道打印；提高的機器人準確性和精度；開發具有更高力學性能的材料。

意大利moi復合材料公司的連續纖維制造(CFM)工藝與CF3D相似，也已經達到早期采用和開發階段(技術成熟度等級5)。CFM技術旨在解決使用熱固性樹脂進行3D打印的挑戰，并已成功地用環氧樹脂、丙烯酸和乙烯基酯打印連續玻璃纖維增強復合材料。紫外線(UV)是moi印刷技術的主要固化工藝，但該工藝也適用于其他固化和后固化機制——這是碳纖維應用所必需的，因為碳的不透明性和黑色干擾紫外線固化。

將速度與精度相結合的連續纖維3D打印技術

作為連續纖維增強3D打印的先驅，Markforged公司用于小批量生產的X7打印機廣受歡迎，不過公司預計，技術開發會將小批量生產和批量生產融合。目前連續纖維3D打印的市場是高價值、低批量的零件，而未來目標市場將朝著相對大批量、低價值的零件增長，因為打印機制造商會降低打印成本和材料成本。公司預測，用于批量的打印技術仍將具備高度細節的復雜組件所需的功能，因為復雜性通常可在軟件中得到解決。

MarkForged的連續纖維系統使用由專門開發的熱塑性樹脂制成的預浸絲束，它使用兩個打印頭，一個用于基體樹脂，另一個用于預浸絲束。技術改進的重點是可靠性和可重復性。公司還致力于完全閉環的工藝，并開發其他功能，如完全集成的材料跟蹤和全面的自動報告功能。Markforged的一個關鍵市場是打印傳統生產線工裝的夾具和組件，與機加工鋁制組件相比，3D打印的熱塑性產品同樣堅固但更輕，不會像金屬組件那樣破壞零件，而且在同一天內就可以準備好了，這項技術也可以用于傳統的無人機復合材料制造模具。

荷蘭CEAD集團于2018年11月推出其大型連續纖維增材制造(CFAM)Prime 3D打印機。雖然最初的CFAM Prime用于構建原型產品，但該系統特別有利于小批量生產大型復雜產品，縮短交貨時間、終結模具使用使其成為高效的制造工藝。CFAM Prime是一款完整的基于西門子數控系統的封閉式打印機，建造體積為2m×4m×1.5m，是歐洲最大的3D打印機，可以使用一系列熱塑性塑料。打印機的平均輸出功率為15kg/h，無需操作員即可運行24h。它具有智能加熱/冷卻系統，可通過熱感攝像頭監測工藝，并根據需要實時進行調整。為了制造連續的纖維增強復合材料，CFAM Prime首先使用所需的熱塑性樹脂預浸漬連續玻璃纖維或碳纖維，然后打印頭將連續纖維與熔化的熱塑性樹脂顆粒結合，其中還可包括一定百分比的短切纖維，這是該打印機的特色。

圖4 歐洲最大的3D打印機

結束語

自Markforged公司于2014年宣布推出Mark One連續纖維3D打印機以來，連續纖維增強復合材料的3D打印技術正在快速發展。當前，該技術還存在兩個主要問題，一個是纖維含量低且打印層之間的分層可能性高，另一個是缺乏標準化的商業軟件。對于前者，目前該技術并無法與傳統復合材料工藝競爭，它只是當前制造方法的補充，提供靈活性和開放式設計以及生產可能性，可能更適合承擔簡單功能的小型低成本無人機生產；但是未來則可能大幅度消除這些問題，并且由于生產完全自動化，在從事復雜任務的大中型無人機制造中的競爭將是必然發生的。對于后者，因為市場上尚無連續工具路徑的軟件，目前每個研發團對都在開發專有軟件，希望以比傳統切片軟件更自動化的方式生成工具路徑，與大多數軟件開發一樣，未來將會出現工具路徑生成軟件的標準，而這將進一步促進業界以此3D打印方法批量生產無人機。3D打印無人機比連續纖維3D打印技術出現更早，但是除了2015年激光科學飛行公司的驗證機，并未掀起更多熱潮，而日趨成熟的連續纖維3D打印技術，可能會成為3D打印無人機的新動力，進而開啟無人機發展新熱潮。