国内高性能塑料复合材料模具3D打印案例,耐180℃工况!

2022 年 06 月 29 日

       复合材料是除铝之外最重要的航空、航天材料。复合材料一般指由两种或两种以上异质、异型、异性材料(一种作为基体,其他作为增强体)复合而成的具有特殊 功能和结构的新型材料。先进的复合材料具有高比刚度、 高比强度、性能可设计、抗疲劳性和耐腐蚀性等优点,越来越广泛地应用于各类航空航天飞行器,大大地促进了飞行器的轻量化、高性能化、结构功能一体化。

       先进的复合材料在航空航天领域的应用始于军用飞机,是为满足其对高机动性、超音速巡航及隐身等要求而不惜成本开始采用的。近年来,由于结构轻量化的要求,民用飞机在复合材料用量方面也呈现增长的趋势。例如,1970年客机的复合材料为零,如今,波音梦幻客机是80%的复合材料。

       复合材料的应用仍在进步,而增材制造-3D打印正在加速这一进步。在这个领域用到的其中一种3D打印技术是基于材料挤出工艺的FDM/FFF 3D打印技术。该技术的复合材料(例如碳纤维增强)制造应用可分为两类,一类是快速制造复合材料成型工艺中所需的模具组件;另一类是无需模具直接制造树脂基纤维增强零部件。

         本期,将分享一个3D打印复材模具快速制造案例。在案例中,国内一家飞机复材研究所通过INTAMSYS 远铸智能高性能材料FDM/FFF 3D打印技术实现了复材模具的快速制造,通过这类模具所获得的复材制件表面质量、尺寸精度等方面达到和金属模制件非常相近的品质。

      不惧高温的挑战

        在行业发展的趋势下,国内一家飞机复材研究所,也在不断尝试和探索新技术、新工艺,他们的主要业务为开发飞机上复材零件制造的工艺,主要应用于蒙皮、机翼、雷达罩、垂尾天线罩、平尾和方向舵内蜂窝等机身结构。

       复合材料中高端应用领域的成型工艺大致可分为:模压、RTM、热压罐以及真空灌注成型工艺。这四类工艺各有优缺点,可满足不同的下游市场对复合材料制品的需求。例如,热压罐工艺可得到表面与内部质量高、形状复杂的复合材料制件,但能耗较高,适合生产航空航天用的复合材料零部件。

      在该飞机复材研究所复合材料成型工艺流程中一个不可或缺的环节即模具的定制和应用。原有的复材模具外协流程用时较长,平均需要4-7周才能交付,如果遇到尺寸较大或者异型结构的零件时,则需更久,另外成本也会显著增加。这一现状在很大程度上制约了飞机开发过程中对复材零件的设计迭代效率,于是工艺研究人员将目光投向增材制造-3D打印领域寻找解决方案。

      经过对金属3D打印与高性能聚合物3D打印两种技术成本、工艺流程、性能方面的综合分析之后,最终选择通过FDM/FFF 3D打印来快速制造热压罐工艺成型模具组件。

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      由于飞机制造所需的复合材料性能较高,需要接近200℃的温度来使铺设完成的预浸料固化成型,这对于FDM/FFF 3D打印设备与制造复材模具所需的3D打印材料提出了挑战。复材研究所最终确定与远铸智能合作,通过其高温高性能FDM/FFF 3D打印设备来开展应用。

Intamsys_610FUNMAT PRO 610HT 3D打印的ULTEM™1010模具组件
      FUNMAT PRO 610HT 作为远铸智能FUNMAT系列线中的高端工业级大尺寸FDM 3D打印设备,有着先进的热设计(双喷头温度最高500℃,腔室温度最高300℃),以及丰富的打印材料选择并兼具高精度的运动控制系统设计,能够高质量打印ULTEM™1010、PEEK-CF等大模量、耐高温材料,十分适合快速复材模具的应用,克服了普通工程塑料软化变形的问题。

Intamsys_Part模具内部由网格疏松填充,由PEEK-CF打印成本方面,模具内部使用了网格疏松填充,在保证必要的模具刚度的条件下,不仅节省了打印时间,更有效降低了材料消耗,将复材模具的成本平均压低了27%。

       用FUNMAT PRO 610HT 设备打印出高性能材料ULTEM™1010/PEEK-CF的模具组件可以满足热压罐 (温度180℃,压强 6Bar)的工况,可以反复利用在复材铺层模具当中,为复材制件研究和生产带来了便利与益处。同时,工业级设备的运动和热场控制,将复材模具的制件精度控制在了1.5mm以内,充分满足了航空工业的苛刻要求。

       通过3D打印ULTEM™1010/PEEK-CF模具所制造的复材零件,在制件的表面质量、尺寸精度等方面达到和金属模制件非常相近的品质,超出了原先的预期。时间方面,由于整套制件流程的内置,各个工艺环节都有了比较清晰的把控,目前制成的几十件制件平均用时1.5周,这个时间也包含了对打印件的后处理,大大节省了时间成本。



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