對(duì)于諸如直升機(jī)結(jié)構(gòu)件這樣的大型零件來說，通常需要幾噸到幾十噸的模具來完成注塑工作。而這樣的模具通過傳統(tǒng)的加工技術(shù)不僅昂貴，加工過程也充滿了挑戰(zhàn)。不但要求機(jī)床工作臺(tái)面能承受大重量,設(shè)備必須具有大承重和高剛性的特性,還必須有足夠大的臺(tái)面尺寸和工作行程與之相適應(yīng)。由于模具的強(qiáng)度和硬度都很高,加上常常采用伸長(zhǎng)量較大的小直徑端銑刀加工模具型腔,因此加工過程容易發(fā)生顫振。為了確保零件的加工精度和表面質(zhì)量,模具制造的高速萬能銑床必須有很高的動(dòng)、靜剛度,以提高機(jī)床的定位精度、跟蹤精度和抗振能力。
昂貴的設(shè)備，對(duì)加工工藝極端苛刻的要求，都使得大型零件的注塑模具成為模具制造中的一大挑戰(zhàn)。
3D打印技術(shù)為大型模具制造帶來了新的切入點(diǎn)。就拿PSU塑料來說，這種塑料耐蒸氣、耐水解、無毒、耐高溫蒸氣消毒、高透明、尺寸穩(wěn)定性好的塑料材料。這也為通過3D打印技術(shù)來加工PSU塑料模具，然后通過注塑完成最終產(chǎn)品的加工。對(duì)于小批量大型零件的制備，這是一種快、好、省的捷徑。

最近，普渡大學(xué)復(fù)合材料制造和模擬中心，Thermwood公司，應(yīng)用復(fù)合材料工程(ACE)和Techmer  PM的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了通過3D打印PSU復(fù)合材料模具來實(shí)現(xiàn)直升機(jī)零部件的注塑目的。

圖片：通過3D打印模具所完成注塑的直升機(jī)零件

根據(jù)了解，這可能是碳纖維增強(qiáng)PSU塑料首次成功地應(yīng)用到3D打印工藝。通過Thermwood的大型增材制造(LSAM-Large  Additive Manufacturing)系統(tǒng)對(duì)直升機(jī)的模具進(jìn)行了一次性3D打印與機(jī)加工工序。

圖片：3D打印的注塑模具

團(tuán)隊(duì)的每個(gè)成員都在直升機(jī)零部件的生產(chǎn)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用：Techmer PM是高性能定制聚合物的制造商，由他們提供了專業(yè)的PSU材料;  Thermood公司提供了其LSAM技術(shù);而專注于航空航天工業(yè)的復(fù)合材料專家ACE則通過3D打印的模具來創(chuàng)建最終的直升機(jī)零部件。

為了將3D打印方法與傳統(tǒng)制造方式進(jìn)行比較，團(tuán)隊(duì)專門做了兩種制造方式的經(jīng)濟(jì)性分析。根據(jù)分析結(jié)果，3D打印模具的材料比標(biāo)準(zhǔn)模具材料的成本低34%，在勞動(dòng)時(shí)間方面的生產(chǎn)速度提高了69%，3D打印模具只需三天時(shí)間就可以制造完成，而傳統(tǒng)的模具制造需要八天時(shí)間。
能夠?qū)SU材料用作模具，主要得益于LSAM強(qiáng)大的擠出系統(tǒng)，可以達(dá)到PSU加工工程中所需的高溫和扭矩水平。
Thermwood開發(fā)的LSAM系統(tǒng)是增材制造工藝與機(jī)加工切削工藝的巧妙結(jié)合，由3D打印完成粗糙的模型輪廓，通過使用CNC銑床將零件加工到精確尺寸，在3D打印的過程中就可以同步配合機(jī)加工切削的運(yùn)用，這款用于制造直升機(jī)零件模具的大型3D打印機(jī)的建造體積為10×20英尺。

隨后，直升機(jī)零件在275oF和90PSI的高壓釜中成型。3D打印模具保持真空，不需要特殊的涂層，在Tg(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)372°F的情況下，這種特殊的PSU復(fù)合材料配方能夠滿足高達(dá)350°F的零部件注塑環(huán)境要求，根據(jù)了解這足以滿足今天加工中大約95%的復(fù)合材料部件。當(dāng)然，還需要進(jìn)行額外的測(cè)試以確定該材料在高溫下的適用性和耐久性。
Thermwood公司的主業(yè)原來是生產(chǎn)數(shù)控加工系統(tǒng)的，現(xiàn)在他們研究的大型增材制造(LSAM-large scale additive  manufacturing)混合制造系統(tǒng)，將3D打印和切削加工集成到同一臺(tái)機(jī)器上。  Thermwood的LSAM技術(shù)通過機(jī)器臂完成3D打印工作在切換到切削工作模式將多余的材料一次性去除，其使用的材料是Techmer  PM的含20%碳纖維的塑料
Thermwood可以打印10x10x5英尺的產(chǎn)品(約3x3x1.5米)，快速的擠壓頭確保每一個(gè)新的層形狀和厚度是均勻的。Thermwood專門針對(duì)大尺寸的加工領(lǐng)域提供全套解決方案，目標(biāo)市場(chǎng)包括設(shè)備工裝、模具、夾具、模型等多種應(yīng)用，目標(biāo)行業(yè)包括航空航天、汽車、游艇和熱成型。
帶機(jī)器手的3D打印除了Thermwood，還有BAAM、MX3D、Thermwood、Branch Technology、3D Systems、  LittleArm、Arevo Labs，以及Stratasys。
而BAAM系統(tǒng)在2016年就被美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室下設(shè)的風(fēng)能水能技術(shù)辦公室用來制造了一款巨大的風(fēng)電葉片模具。葉片模具長(zhǎng)達(dá)13米由BAAM系統(tǒng)分批次打印出來。根據(jù)市場(chǎng)研究，與Thermwood類似的是模具都用到了碳纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù)，不同的是BAAM系統(tǒng)的3D打印工作完成后，葉片上面被覆蓋了一層玻璃纖維層壓板以獲得平滑的表面，而Thermwood采取的是通過機(jī)加工的方式去除多余的塑料材料以獲得精確的模具表面。
不過，在集成3D打印與切削加工塑料材料于一臺(tái)設(shè)備方面，Thermwood可以稱為行業(yè)的先行者。但就市場(chǎng)研究，已經(jīng)有更多的公司看好大型塑料制品的混合加工。意大利加工專家CMS與2017年9月宣布與德國(guó)Fraunhofer機(jī)床和成型技術(shù)研究所(Fraunhofer  IWU)建立了新的合作伙伴關(guān)系，并共同開發(fā)熱塑性復(fù)合材料的3D打印與五軸銑削加工的混合系統(tǒng)。
Fraunhofer IWU將與CMS密切合作，開發(fā)CMS Kreator，該系統(tǒng)將結(jié)合3D打印和機(jī)加工制造出高品質(zhì)熱塑性復(fù)合材料零件。CMS  Kreator將會(huì)有一系列的配置和尺寸，并可容納各種各樣的基于熱塑性塑料的材料。這款設(shè)備可以在許多領(lǐng)域和行業(yè)得到應(yīng)用，并將面向制造精密原型甚至特殊的零件生產(chǎn)。
隨著更多的公司參與到復(fù)合材料的大型產(chǎn)品打印，3D打印正發(fā)揮有價(jià)值的意義：減少浪費(fèi)，減少交貨時(shí)間，并提供更靈活的設(shè)計(jì)自由度，重要的是3D打印的模具比傳統(tǒng)模具更經(jīng)濟(jì)，3D打印的大趨勢(shì)將如何演變，我們將保持持續(xù)關(guān)注。

文章來源：3D科學(xué)谷

對(duì)于諸如直升機(jī)結(jié)構(gòu)件這樣的大型零件來說，通常需要幾噸到幾十噸的模具來完成注塑工作。而這樣的模具通過傳統(tǒng)的加工技術(shù)不僅昂貴，加工過程也充滿了挑戰(zhàn)。不但要求機(jī)床工作臺(tái)面能承受大重量,設(shè)備必須具有大承重和高剛性的特性,還必須有足夠大的臺(tái)面尺寸和工作行程與之相適應(yīng)。由于模具的強(qiáng)度和硬度都很高,加上常常采用伸長(zhǎng)量較大的小直徑端銑刀加工模具型腔,因此加工過程容易發(fā)生顫振。為了確保零件的加工精度和表面質(zhì)量,模具制造的高速萬能銑床必須有很高的動(dòng)、靜剛度,以提高機(jī)床的定位精度、跟蹤精度和抗振能力。
昂貴的設(shè)備，對(duì)加工工藝極端苛刻的要求，都使得大型零件的注塑模具成為模具制造中的一大挑戰(zhàn)。
3D打印技術(shù)為大型模具制造帶來了新的切入點(diǎn)。就拿PSU塑料來說，這種塑料耐蒸氣、耐水解、無毒、耐高溫蒸氣消毒、高透明、尺寸穩(wěn)定性好的塑料材料。這也為通過3D打印技術(shù)來加工PSU塑料模具，然后通過注塑完成最終產(chǎn)品的加工。對(duì)于小批量大型零件的制備，這是一種快、好、省的捷徑。

最近，普渡大學(xué)復(fù)合材料制造和模擬中心，Thermwood公司，應(yīng)用復(fù)合材料工程(ACE)和Techmer  PM的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了通過3D打印PSU復(fù)合材料模具來實(shí)現(xiàn)直升機(jī)零部件的注塑目的。

圖片：通過3D打印模具所完成注塑的直升機(jī)零件

根據(jù)了解，這可能是碳纖維增強(qiáng)PSU塑料首次成功地應(yīng)用到3D打印工藝。通過Thermwood的大型增材制造(LSAM-Large  Additive Manufacturing)系統(tǒng)對(duì)直升機(jī)的模具進(jìn)行了一次性3D打印與機(jī)加工工序。

圖片：3D打印的注塑模具

團(tuán)隊(duì)的每個(gè)成員都在直升機(jī)零部件的生產(chǎn)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用：Techmer PM是高性能定制聚合物的制造商，由他們提供了專業(yè)的PSU材料;  Thermood公司提供了其LSAM技術(shù);而專注于航空航天工業(yè)的復(fù)合材料專家ACE則通過3D打印的模具來創(chuàng)建最終的直升機(jī)零部件。

為了將3D打印方法與傳統(tǒng)制造方式進(jìn)行比較，團(tuán)隊(duì)專門做了兩種制造方式的經(jīng)濟(jì)性分析。根據(jù)分析結(jié)果，3D打印模具的材料比標(biāo)準(zhǔn)模具材料的成本低34%，在勞動(dòng)時(shí)間方面的生產(chǎn)速度提高了69%，3D打印模具只需三天時(shí)間就可以制造完成，而傳統(tǒng)的模具制造需要八天時(shí)間。
能夠?qū)SU材料用作模具，主要得益于LSAM強(qiáng)大的擠出系統(tǒng)，可以達(dá)到PSU加工工程中所需的高溫和扭矩水平。
Thermwood開發(fā)的LSAM系統(tǒng)是增材制造工藝與機(jī)加工切削工藝的巧妙結(jié)合，由3D打印完成粗糙的模型輪廓，通過使用CNC銑床將零件加工到精確尺寸，在3D打印的過程中就可以同步配合機(jī)加工切削的運(yùn)用，這款用于制造直升機(jī)零件模具的大型3D打印機(jī)的建造體積為10×20英尺。

隨后，直升機(jī)零件在275oF和90PSI的高壓釜中成型。3D打印模具保持真空，不需要特殊的涂層，在Tg(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)372°F的情況下，這種特殊的PSU復(fù)合材料配方能夠滿足高達(dá)350°F的零部件注塑環(huán)境要求，根據(jù)了解這足以滿足今天加工中大約95%的復(fù)合材料部件。當(dāng)然，還需要進(jìn)行額外的測(cè)試以確定該材料在高溫下的適用性和耐久性。
Thermwood公司的主業(yè)原來是生產(chǎn)數(shù)控加工系統(tǒng)的，現(xiàn)在他們研究的大型增材制造(LSAM-large scale additive  manufacturing)混合制造系統(tǒng)，將3D打印和切削加工集成到同一臺(tái)機(jī)器上。  Thermwood的LSAM技術(shù)通過機(jī)器臂完成3D打印工作在切換到切削工作模式將多余的材料一次性去除，其使用的材料是Techmer  PM的含20%碳纖維的塑料
Thermwood可以打印10x10x5英尺的產(chǎn)品(約3x3x1.5米)，快速的擠壓頭確保每一個(gè)新的層形狀和厚度是均勻的。Thermwood專門針對(duì)大尺寸的加工領(lǐng)域提供全套解決方案，目標(biāo)市場(chǎng)包括設(shè)備工裝、模具、夾具、模型等多種應(yīng)用，目標(biāo)行業(yè)包括航空航天、汽車、游艇和熱成型。
帶機(jī)器手的3D打印除了Thermwood，還有BAAM、MX3D、Thermwood、Branch Technology、3D Systems、  LittleArm、Arevo Labs，以及Stratasys。
而BAAM系統(tǒng)在2016年就被美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室下設(shè)的風(fēng)能水能技術(shù)辦公室用來制造了一款巨大的風(fēng)電葉片模具。葉片模具長(zhǎng)達(dá)13米由BAAM系統(tǒng)分批次打印出來。根據(jù)市場(chǎng)研究，與Thermwood類似的是模具都用到了碳纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù)，不同的是BAAM系統(tǒng)的3D打印工作完成后，葉片上面被覆蓋了一層玻璃纖維層壓板以獲得平滑的表面，而Thermwood采取的是通過機(jī)加工的方式去除多余的塑料材料以獲得精確的模具表面。
不過，在集成3D打印與切削加工塑料材料于一臺(tái)設(shè)備方面，Thermwood可以稱為行業(yè)的先行者。但就市場(chǎng)研究，已經(jīng)有更多的公司看好大型塑料制品的混合加工。意大利加工專家CMS與2017年9月宣布與德國(guó)Fraunhofer機(jī)床和成型技術(shù)研究所(Fraunhofer  IWU)建立了新的合作伙伴關(guān)系，并共同開發(fā)熱塑性復(fù)合材料的3D打印與五軸銑削加工的混合系統(tǒng)。
Fraunhofer IWU將與CMS密切合作，開發(fā)CMS Kreator，該系統(tǒng)將結(jié)合3D打印和機(jī)加工制造出高品質(zhì)熱塑性復(fù)合材料零件。CMS  Kreator將會(huì)有一系列的配置和尺寸，并可容納各種各樣的基于熱塑性塑料的材料。這款設(shè)備可以在許多領(lǐng)域和行業(yè)得到應(yīng)用，并將面向制造精密原型甚至特殊的零件生產(chǎn)。
隨著更多的公司參與到復(fù)合材料的大型產(chǎn)品打印，3D打印正發(fā)揮有價(jià)值的意義：減少浪費(fèi)，減少交貨時(shí)間，并提供更靈活的設(shè)計(jì)自由度，重要的是3D打印的模具比傳統(tǒng)模具更經(jīng)濟(jì)，3D打印的大趨勢(shì)將如何演變，我們將保持持續(xù)關(guān)注。

文章來源：3D科學(xué)谷