AREVO連續(xù)碳纖維復(fù)合材料3D打印,將締造展新的碳纖維3D打印生產(chǎn)方式

2022-05-31

美國硅谷初創(chuàng)公司AREVO最近的發(fā)展勢頭迅猛。2020年6月初，AREVO宣布，他們已經(jīng)開始建設(shè)一個世界上最大的高速連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚合物（continuous carbon fiber reinforced polymer ，即"CFRP"）復(fù)合材料增材制造工廠，以制造即服務(wù)(manufacturing-as-a-service，MaaS)的模式來運營，規(guī)模化快速生產(chǎn)定制產(chǎn)品。連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的強(qiáng)度重量比是鋼的60倍以上，可用于專業(yè)級自行車、一級方程式賽車和最新一代戰(zhàn)斗機(jī)等產(chǎn)品。

隨著Arevo完成第二代復(fù)合材料沉積技術(shù)升級，速度是第一代的四倍以上，計劃在一個亞洲城市中部署數(shù)百套生產(chǎn)系統(tǒng)，具備滿足客戶對大型和幾何復(fù)雜的CFRP產(chǎn)品快速制造需求的能力。"這將成為我過去20年里，在3D打印行業(yè)看到的，最雄心勃勃、最有趣、最有前途的應(yīng)用之一。"Arevo聯(lián)合創(chuàng)始人兼董事長Hemant Bheda表示。

3D打印，將革新傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料制造

碳纖維復(fù)合材料重量輕、強(qiáng)度重量比高，使其成為某些金屬零件和結(jié)構(gòu)的理想替代品，因為它們可以降低材料成本、提高機(jī)械性能。"復(fù)合材料已經(jīng)有25年以上的歷史，但其市場滲透率極低，"Hemant Bheda說。"我們認(rèn)為，最重要的原因是因為其成本太高，需要手工勞動和多個步驟，以及需要很長的時間才能推向市場，通常是12到18個月。"

即使采用最先進(jìn)的自動纖維貼裝(AFP)技術(shù)，復(fù)合材料制造也需要對金屬模具進(jìn)行精密的數(shù)控加工、真空封裝和烘箱固化。這工藝無法應(yīng)對復(fù)雜的設(shè)計，必須將幾個部件分開制造，然后手工粘合在一起，從而引入可能的人為錯誤。另外，像飛機(jī)機(jī)翼這樣的大型部件必須在烘箱中烘很長時間，消耗大量能源，Bheda說。"現(xiàn)在，隨著不同領(lǐng)域創(chuàng)新的融合，特別是計算能力和基于機(jī)器人的自動化，是時候?qū)夹g(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級了。"

Arevo公司利用其專利軟件算法、碳纖維材料和機(jī)器人3D打印技術(shù)，實現(xiàn)復(fù)合材料部件生產(chǎn)的制造即服務(wù)。

Bheda稱："我們的系統(tǒng)完全省去了手工勞動和烘箱固化的步驟，通過我們的軟件和全自動機(jī)器人3D打印機(jī)，我們可以快速制造碳纖維制品。"

連續(xù)纖維

碳纖維復(fù)合材料是由薄薄的、非常結(jié)實的碳晶絲組成的，這些碳晶絲被混在聚合物基質(zhì)中；基質(zhì)將纖維固定在一起，形成堅固的結(jié)構(gòu)。具有很高的剛度和拉伸強(qiáng)度，重量輕，并具有很高的耐化學(xué)性和耐溫性。

△連續(xù)纖維3D打印機(jī)噴頭

目前，其他復(fù)合材料3D打印機(jī)，可以把由幾微米長的切碎纖維組成的長絲，嵌入熱固性塑料長絲中，實現(xiàn)3D打印零件。但能做出的尺寸是有限的。而Arevo的系統(tǒng)可以打印更大的物體，達(dá)到1立方米。

Arevo系統(tǒng)使用的長絲材料是由PEEK基體制成的，里面嵌入了航空級的連續(xù)碳纖維。

PEEK是一種常見的可回收塑料材料，提供比其他熱固性材料更好的機(jī)械性能。Arevo的材料直徑為1.2毫米，包含12000束平行的連續(xù)碳纖維，每條纖維的直徑為5至6微米。

在纖維長軸方向上，連續(xù)纖維使其性能比切碎纖維，有一個數(shù)量級的提升。強(qiáng)度是鈦的五倍，而重量只有鈦的三分之一。

設(shè)計、打印、生產(chǎn)

除了向客戶銷售制造的零件，Arevo還賣3D打印機(jī)。2020年2月，他們在日本賣出了第一套系統(tǒng)，安裝在位于東京的AGC公司，到2020年第一季度末，全球至少有4個制造工廠安裝了這樣的系統(tǒng)，開始制造零件，并計劃到年底在全球擁有10個客戶。

"通過我們云端軟件，成千上萬的設(shè)計師現(xiàn)在可以訪問它來創(chuàng)建以前從未實現(xiàn)過的零件，"Bheda說。"而且通過全球打印機(jī)網(wǎng)絡(luò)，他們可以按需打印他們的設(shè)計。"

△3D打印的碳纖維網(wǎng)球拍，強(qiáng)度非常高

其網(wǎng)絡(luò)軟件為制造復(fù)合材料提供了一個端到端的解決方案，從一個3D模型開始，軟件會進(jìn)行分析，并為纖維生成一個最佳的幾何排列。"

連續(xù)碳纖維復(fù)合材料通常表現(xiàn)出各向異性，這意味著一些性能會根據(jù)它們沿幾何平面/軸的部位而變化，控制纖維的幾何排列結(jié)合零件需求的載荷，是非常重要的。

此外，軟件還可以通過去除材料和推薦最有效的設(shè)計來協(xié)助設(shè)計過程，以滿足零件可能遇到的實際操作條件。接著，它會計算出所需的復(fù)合材料數(shù)量，并生成使用Arevo的3D打印技術(shù)制造零件的指令。

系統(tǒng)還收集零件在制造過程中的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建一個數(shù)字雙胞胎，精確體現(xiàn)零件的打印狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)可以用于質(zhì)量保證，為檢測和分析提供強(qiáng)大的助力。

除了在件和材料方面的突破，Arevo還開發(fā)了一種基于激光DED（即直接能量沉積）的專利3D打印工藝。

△Arevo的核心技術(shù)：DED工藝。激光束熔化剛加上去的聚合物細(xì)絲和上一層沉積打印的材料，形成液-液界面。同時，使用一個滾軸施加壓力，將層與層之間的空隙率降低到小于1％，達(dá)到消除分層橫截面的目的。其實這思路和中國武漢華中科技大學(xué)張海鷗教授的“微鑄鍛”金屬3D打印技術(shù)類似，但后者使用的金屬材料，而不是高分子聚合物

△在打印過程中，多軸自動機(jī)械臂和平臺可自由移動，實現(xiàn)三個以上的自由度沉積材料。通常的增材制造技術(shù)，包括堆疊2D平面材質(zhì)層

DED工藝使用激光源來熔化聚合物長絲，同時也熔化之前沉積的材料，以創(chuàng)建一個液體到液體的界面，實現(xiàn)原位鞏固（ in-situ consolidation）；同時，它還施加了一個壓力，將空隙率降低到1%以下，消除了層，使截面看起來更均勻。"

這種復(fù)合3D打印工藝，實現(xiàn)高性能，可以初級航空航天結(jié)構(gòu)上使用。

3D打印碳纖維自行車

傳統(tǒng)的復(fù)合材料自行車車架，需要18個月的時間來設(shè)計和投入生產(chǎn)；但連續(xù)纖維3D打印技術(shù)可以將時間縮減到幾周。車架制造商通過打樣試錯，建立超過20次的設(shè)計迭代。當(dāng)他們確定一個設(shè)計時，就手工制造一個原型車，騎上去，然后改變設(shè)計；如此重復(fù)。然后，安排工廠來制造自行車，通常是在中國。經(jīng)南極熊3D打印網(wǎng)查詢得知，高端自行車車架廠商，基本上都是在中國生產(chǎn)。

工廠制造的復(fù)合材料車架是由27到30個不同的零件手工制作而成，最后粘合在一起。而Arevo的系統(tǒng)，所有的設(shè)計工作，包括分析和優(yōu)化，都可以通過軟件來完成的，大大降低研發(fā)成本；同時3D打印一個整體單一部件，連續(xù)纖維智能放置在車架內(nèi)，提供前所未有的結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性。

"如今，在生產(chǎn)的200萬個復(fù)合自行車車架中，99%都是中國制造的。"Arevo聯(lián)合創(chuàng)始人兼董事長Bheda說。"我們相信，隨著技術(shù)的進(jìn)步，成本結(jié)構(gòu)將發(fā)生轉(zhuǎn)變，三年后，手工制造自行車車架將被顛覆，被淘汰。"

Arevo還在研究其他一些應(yīng)用，包括自行車和滑板車的車輪。用于運輸包裹的商用無人機(jī)制造商對復(fù)合材料的輕量化很感興趣，還有網(wǎng)球拍和溜冰鞋（用于連接金屬葉片和靴子的結(jié)構(gòu)）在內(nèi)的運動設(shè)備制造商。

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