直升機大型零件3D打印的PSU復合塑料模具注塑過程
魔猴君 科技前沿 2588天前
對于直升機結構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)的加工技術不僅昂貴，加工過程也充滿挑戰(zhàn)。不但要求機床工作臺面能承受大重量,設備必須具有大承重和高剛性的特性,還必須有足夠大的臺面尺寸和工作行程與之相適應。由于模具的強度和硬度都很高,加上常常采用伸長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。
3D打印技術為大型模具制造帶來了新的切入點。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。這為通過3D打印技術來加工PSU塑料模具，然后通過注塑完成最終產品的加工。對于小批量大型零件的制備，這是一種又快、又好、又省的捷徑。
最近，普渡大學復合材料制造和模擬中心，Thermwood公司，應用復合材料工程（ACE）和Techmer PM的聯(lián)合團隊實現(xiàn)了通過3D打印PSU復合材料模具來實現(xiàn)直升機零部件的注塑目的。
可能是碳纖維增強PSU塑料首次成功地應用到3D打印工藝。通過Thermwood的大型增材制造（LSAM-Large Additive Manufacturing）系統(tǒng)對直升機的模具進行了一次性3D打印與機加工工序。
3D打印的注塑模具
團隊的每個成員都在直升機零部件的生產中發(fā)揮了關鍵作用：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;而專注于航空航天工業(yè)的復合材料專家ACE則通過3D打印的模具來創(chuàng)建最終的直升機零部件。
為了將3D打印方法與傳統(tǒng)制造方式進行比較，團隊專門做了兩種制造方式的經濟性分析。根據結果，3D打印模具的材料比標準模具材料的成本低34％，在勞動時間方面的生產速度提高了69％。將PSU材料用作模具，主要得益于LSAM強大的擠出系統(tǒng)，可以達到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加工切削工藝的巧妙結合，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加工切削的運用，這款用于制造直升機零件模具的大型3D打印機的建造體積為10×20英尺。
隨后，直升機零件在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（玻璃化轉變溫度）372°F的情況下，這種特殊的PSU復合材料配方能夠滿足高達350°F的零部件注塑環(huán)境要求，這足以滿足今天加工中大約95％的復合材料部件。當然，還需要進行額外的測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)原來是生產數控加工系統(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機器上。Thermwood的LSAM技術通過機器臂完成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英尺的產品（約3x3x1.5米），快速的擠壓頭確保每一個新的層形狀和厚度是均勻的。Thermwood專門針對大尺寸的加工領域提供全套解決方案，目標市場包括設備工裝、模具、夾具、模型等多種應用，目標行業(yè)包括航空航天、汽車、游艇和熱成型。
而BAAM系統(tǒng)在2016年就被美國橡樹嶺國家實驗室下設的風能水能技術辦公室用來制造了一款巨大的風電葉片模具。葉片模具長達13米由BAAM系統(tǒng)分批次打印出來。與Thermwood類似的是模具都用到了碳纖維復合材料3D打印技術，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設備方面，Thermwood可以稱為行業(yè)的先行者。據悉，已經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Fraunhofer機床和成型技術研究所（Fraunhofer IWU）建立了新的合作伙伴關系，并共同開發(fā)熱塑性復合材料的3D打印與五軸銑削加工的混合系統(tǒng)。
隨著更多的公司參與到復合材料的大型產品打印，3D打印正發(fā)揮有價值的意義：減少浪費，減少交貨時間，并提供更靈活的設計自由度，重要的是3D打印的模具比傳統(tǒng)模具更經濟。
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