【據(jù)增材制造雜志2019年5月3日?qǐng)?bào)道】沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司(SABIC)和代頓研究院大學(xué)合作開(kāi)展了一個(gè)項(xiàng)目，探索使用大幅面增材制造(LFAM)技術(shù)創(chuàng)造用于制造航空航天復(fù)合材料零件的熱壓罐工裝的潛力。

與LFAM相比，傳統(tǒng)的用金屬CNC加工制造熱壓罐工裝的方法，具有與材料和CNC時(shí)間相關(guān)的前期成本，以及設(shè)計(jì)變更的額外成本。使用LFAM制造類(lèi)似工裝有助于減少更快速地制造小批量、復(fù)雜工裝的支出和時(shí)間。由于LFAM對(duì)CNC金屬加工的打印速度提高，因此可以在生產(chǎn)單個(gè)CNC金屬工裝所需的時(shí)間內(nèi)3D打印多個(gè)設(shè)計(jì)迭代。此外，從計(jì)算機(jī)生成的文件快速3D打印工裝的能力消除了長(zhǎng)期存儲(chǔ)工裝的需要和成本，因?yàn)楸匾獣r(shí)可以打印新工具。

涉及塑料材料的大幅面增材制造使用通過(guò)擠出機(jī)筒熔化的塑料顆粒進(jìn)行3D打印，并逐層擠出以構(gòu)建零件。由于LFAM工藝是顆粒狀進(jìn)料，因此原料具有廣泛的可用性，包括含有玻璃纖維、碳纖維、礦物等的填充熱塑性化合物，使設(shè)計(jì)者能夠提供用未填充的樹(shù)脂無(wú)法實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)。隨著零件的增大，在打印和最終使用過(guò)程中，維持打印結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的需求變得越來(lái)越重要。

LFAM能夠打印較小的打印工藝不可實(shí)現(xiàn)的大型零件，并能夠創(chuàng)建復(fù)雜的幾何零件，而這些零件難以使用傳統(tǒng)工藝(如注塑成型)生產(chǎn)。與傳統(tǒng)生產(chǎn)方法相比，LFAM打印速度可實(shí)現(xiàn)快速原型和設(shè)計(jì)的多次迭代，縮短開(kāi)發(fā)周期和交付周期。在權(quán)衡需要前期投資的大批量生產(chǎn)方法時(shí)，以較低的成本和時(shí)間投資實(shí)現(xiàn)小批量定制生產(chǎn)是可能的。

為嚴(yán)格的熱壓罐環(huán)境尋找合適的樹(shù)脂/填料系統(tǒng)組合成為挑戰(zhàn)。要使用LFAM工裝替換金屬工裝，材料必須打印良好，并且還要承受使用所需的負(fù)載、溫度循環(huán)和尺寸要求。打印工裝的尺寸穩(wěn)定性至關(guān)重要，因?yàn)楣ぱb的移動(dòng)會(huì)對(duì)最終部件質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。

·選擇

本研究中提到的熱壓罐工裝要求能夠承受350°F的熱壓罐循環(huán)，同時(shí)壓力低于85-90 psi。 該工裝需要承受超過(guò)10次熱壓罐循環(huán)，保持真空完整性，并在高壓罐固化之前、期間和之后保持工裝表面上±0.005英寸的尺寸輪廓公差。

對(duì)于工裝的材料，選擇LNP Thermocomp AM EZ006EXAR1化合物，因?yàn)樗峁┝薝ltem樹(shù)脂以及用于尺寸控制的填充包的組合，Ultem樹(shù)脂是航空航天應(yīng)用中眾所周知的高溫材料。

本研究選擇的工裝幾何形狀，與廣泛的行業(yè)和應(yīng)用相關(guān)，與軍用飛行器上使用的零件類(lèi)似。 團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)超大尺寸的工裝，以便將表面加工到所需的最終尺寸。

該工裝在位于馬薩諸塞州皮茨菲爾德的SABIC聚合物加工研發(fā)中心(PPDC)打印，使用辛辛那提公司的大幅面增材制造(BAAM)機(jī)床。

BAAM打印機(jī)包含一個(gè)帶有六個(gè)加熱區(qū)的單螺桿擠出機(jī)，每個(gè)區(qū)域都能加熱到500°C，螺桿可處理填充的聚合物。使用一個(gè)具有交錯(cuò)線填充圖案的雙外壁設(shè)計(jì)，在2.5小時(shí)內(nèi)打印了有140層的工裝。

LNP Thermocomp AM EZ006EXAR1化合物在打印過(guò)程中表現(xiàn)出一致且穩(wěn)定的珠粒尺寸，且珠粒表面光滑。在打印后檢查時(shí)，整個(gè)零件僅表現(xiàn)出很低程度的翹曲。

由于大幅面增材制造技術(shù)可以打印到近凈成形，因此只需要一次加工操作即可獲得最終尺寸。加工后的工裝被送到田納西州諾克斯維爾的Tru-Design，用于TD Seal HT涂層的應(yīng)用。 TD Seat HT是一種薄的噴涂涂料，可與高溫LFAM原料粘合而不會(huì)在熱壓罐循環(huán)過(guò)程中開(kāi)裂，可提供光滑且真空密封的工裝表面。

·測(cè)試

——階段1

代頓研究院大學(xué)對(duì)完成的工裝進(jìn)行了初始階段1測(cè)試。在階段1的掃描和真空測(cè)試期間，未檢測(cè)到顯著的真空損失，表明TD Seal HT提供了良好的密封表面。

——階段2

第二階段的測(cè)試是熱壓罐循環(huán)，在SABIC的PPDC工廠完成。在每個(gè)循環(huán)期間，將復(fù)合材料鋪層放置在工裝上并用熱壓罐固化復(fù)合材料。復(fù)合材料鋪層和熱壓罐工藝包括由Renegade 材料公司制造的兩層RM 2005環(huán)氧/碳預(yù)浸料。

對(duì)于每個(gè)熱壓罐循環(huán)，遵循以下步驟：

1.在室溫下真空保持60分鐘。

2.每分鐘加熱5°F至350°F±10°F，施加30±5 psig的壓力，直至溫度達(dá)到225°F±5°F。

3.在溫度超過(guò)225°F后，施加85±5 psig的熱壓罐壓力并排放到大氣中。

4.保持溫度在350°F±5°F，持續(xù)120-135分鐘。

5.以每分鐘5°F的速度冷卻。當(dāng)溫度低于302°F時(shí)，釋放壓力。

該過(guò)程重復(fù)五次。在第五個(gè)循環(huán)之后，使用Creaform公司HandyScan 3D手持式掃描儀掃描工裝。掃描分析顯示，99.7%的工裝表面在第一階段測(cè)試完成后進(jìn)行的基線掃描的±0.004英寸內(nèi)。該百分比表示數(shù)據(jù)分布與基線的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

——第3階段

在階段3期間，該工裝經(jīng)歷另外五次熱壓罐循環(huán)。使用相同的程序，但熱壓罐壓力從100psig增加至85psig。完成循環(huán)后，再次掃描工裝。

與基線掃描相比，結(jié)果與前五次熱壓罐循環(huán)后的結(jié)果相似：99.7%的加工表面在基線掃描的±0.004英寸范圍內(nèi)。

——第4階段

在階段4中，使用與階段3測(cè)試中相同的鋪層將工裝暴露于最后10次熱壓罐循環(huán)。完成所有循環(huán)后，再次掃描工具并與原始基線進(jìn)行比較。如先前的比較所示，99.7%的加工表面在原始基線掃描的±0.004英寸范圍內(nèi)。

·結(jié)果

在前五次熱壓罐循環(huán)后，工裝表現(xiàn)出距離基線±0.004英寸的最小移動(dòng)。另外15個(gè)循環(huán)顯示類(lèi)似的掃描結(jié)果，表明發(fā)生的初始運(yùn)動(dòng)被分離到最初的五個(gè)熱壓罐循環(huán)。在最初五次熱壓罐循環(huán)后，工裝穩(wěn)定并且在剩余的熱壓罐循環(huán)測(cè)試期間沒(méi)有繼續(xù)移動(dòng)。出于本研究的目的，僅記錄工裝的永久變形，而不是在實(shí)際熱壓罐工藝中可能發(fā)生的臨時(shí)移動(dòng)。

只有當(dāng)將接受閾值降低到0.001英寸時(shí)，才能看到工裝表面運(yùn)動(dòng)的方向。除了圍繞工裝周邊的向內(nèi)運(yùn)動(dòng)之外，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的趨勢(shì)，這很可能是源自真空帶刮擦和移除導(dǎo)致的表面磨損。

最終結(jié)果表明，在五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)350°F熱壓罐循環(huán)后，工裝顯示出小于±0.004英寸的運(yùn)動(dòng)。 這在航空航天工業(yè)中常見(jiàn)的±0.005英寸公差范圍內(nèi)。在額外的15個(gè)循環(huán)后幾乎沒(méi)有發(fā)生后續(xù)運(yùn)動(dòng)。

作者和團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到需要在未來(lái)工作中，量化使用LFAM與現(xiàn)有工裝方法的實(shí)際時(shí)間和成本節(jié)省，初步估計(jì)顯示時(shí)間和成本會(huì)顯著節(jié)省。

該研究證實(shí)，大幅面增材制造是生產(chǎn)熱壓罐工裝的可行方法，該工裝可承受至少20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)熱壓罐循環(huán)，而不會(huì)在零件中引入尺寸不精確。