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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

把3D打印技术改装升级一下,结合传统工艺的高端制造领域,可能会有着全新的市场需求。碳纤维复合材料3D打印,就是其中一个方向。全球领先的碳纤维复合材料3D打印厂商AREVO甚至表示,“在碳纤维自行车车架领域,随着3D打印技术的进步,成本结构将发生转变;三年后,中国工厂碳纤维自行车车架的手工制造将被淘汰!”

据南极熊了解,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。

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。"

3D打印的碳纤维网球拍

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.

在打印过程中,多轴自动机械臂和平台可自由移动,实现三个以上的自由度沉积材料。通常的增材制造技术,包括堆叠2D平面材质层,来构建3D对象

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

全球首款3D打印的碳纤维电动自行车Emery One。Arevo与高端自行车制造商Franco Bicycles合作开发一款新的电动自行车.

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。

左:自行车车架必须在几个点上支撑重量。中:自行车零件之间的间隙通常非常紧密。右:3D打印碳纤维的整体重量很轻.

 

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。

航空航天、建筑和汽车领域等其他战略应用也在开发中。

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