【據(jù)增材制造雜志2019年5月3日報道】沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司(SABIC)和代頓研究院大學(xué)合作開展了一個項目，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時間相關(guān)的前期成本，以及設(shè)計變更的額外成本。使用LFAM制造類似工裝有助于減少更快速地制造小批量、復(fù)雜工裝的支出和時間。由于LFAM對CNC金屬加工的打印速度提高，因此可以在生產(chǎn)單個CNC金屬工裝所需的時間內(nèi)3D打印多個設(shè)計迭代。此外，從計算機生成的文件快速3D打印工裝的能力消除了長期存儲工裝的需要和成本，因為必要時可以打印新工具。

涉及塑料材料的大幅面增材制造使用通過擠出機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)計者能夠提供用未填充的樹脂無法實現(xiàn)的強度和熱膨脹系數(shù)。隨著零件的增大，在打印和最終使用過程中，維持打印結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)加強的需求變得越來越重要。

LFAM能夠打印較小的打印工藝不可實現(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打印速度可實現(xiàn)快速原型和設(shè)計的多次迭代，縮短開發(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，以較低的成本和時間投資實現(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，因為工裝的移動會對最終部件質(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)，同時壓力低于85-90 psi。 該工裝需要承受超過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。

對于工裝的材料，選擇LNP Thermocomp AM EZ006EXAR1化合物，因為它提供了Ultem樹脂以及用于尺寸控制的填充包的組合，Ultem樹脂是航空航天應(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似。 團(tuán)隊設(shè)計了一個超大尺寸的工裝，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)機床。

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

LNP Thermocomp AM EZ006EXAR1化合物在打印過程中表現(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，整個零件僅表現(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原料粘合而不會在熱壓罐循環(huán)過程中開裂，可提供光滑且真空密封的工裝表面。

·測試

——階段1

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

——階段2

第二階段的測試是熱壓罐循環(huán)，在SABIC的PPDC工廠完成。在每個循環(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。

對于每個熱壓罐循環(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，釋放壓力。

該過程重復(fù)五次。在第五個循環(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。另外15個循環(huán)顯示類似的掃描結(jié)果，表明發(fā)生的初始運動被分離到最初的五個熱壓罐循環(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)測試期間沒有繼續(xù)移動。出于本研究的目的，僅記錄工裝的永久變形，而不是在實際熱壓罐工藝中可能發(fā)生的臨時移動。

只有當(dāng)將接受閾值降低到0.001英寸時，才能看到工裝表面運動的方向。除了圍繞工裝周邊的向內(nèi)運動之外，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的趨勢，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英寸的運動。 這在航空航天工業(yè)中常見的±0.005英寸公差范圍內(nèi)。在額外的15個循環(huán)后幾乎沒有發(fā)生后續(xù)運動。

作者和團(tuán)隊認(rèn)識到需要在未來工作中，量化使用LFAM與現(xiàn)有工裝方法的實際時間和成本節(jié)省，初步估計顯示時間和成本會顯著節(jié)省。

該研究證實，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個標(biāo)準(zhǔn)熱壓罐循環(huán)，而不會在零件中引入尺寸不精確。