连续纤维增材制造技术或将颠覆航空复合材料结构生产模式

2019年3月，全球复合材料领域顶级展会JEC组委会将2019年度增材制造（3D打印）创新大奖授予美国连续复合材料公司、空军研究实验室、洛克希德·马丁公司团队，以表彰其在连续纤维3D打印技术开发方面的创新成果。连续复合材料公司是连续纤维增强3D打印技术的先驱，2012年获得了全球最早的工艺专利。自美国于2014年推出首台连续纤维3D打印机以来，该技术正在快速发展并在航空领域取得应用。随着技术的逐渐成熟和大规模推广应用，该技术或将颠覆现有复合材料无人机、低成本复合材料航空结构的生产模式。

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arevo 3D打印技术

连续纤维3D打印技术的优势

连续纤维3D打印技术综合利用工业机器人、3D打印末端执行器、原位检测、智能监测与机器学习等技术，快速输送、沉积连续纤维增强体，以及基体树脂并原位浸渍、固化，与传统的自动铺丝成形以及熔融沉积成形等工艺相比，自动化程度和柔性更高，对于典型的碳纤维/聚醚醚酮零件，研发周期可缩短至原来的1/30，生产速度可提高100倍。连续纤维3D打印机可以由多机器人组成柔性单元，机器人上还可添加多个3D打印末端执行器，同时打印头可支持碳纤维、凯夫拉、玻璃纤维甚至光纤和金属丝等材料，使该技术既可以用于大批量生产复合材料零件，也可以一次性打印高度复杂的几何形状或者需要极其精密制造的关键零件。

双机器人连续纤维3D打印机

连续纤维3D打印技术的发展方向

当前，美欧3D打印技术开发商与机器人制造商已共同开发了一系列先进的连续纤维3D打印设备与制造工艺，主要应用方向和发展情况如下。

低成本复合材料结构的大批量生产

美国阿瑞沃公司开发了可将热塑性预浸丝束打印成零件的直接能量沉积（DED）工艺，空客资本公司参与了对该公司的投资。DED工作单元由工业机器人、激光加热打印头和旋转构建平台组成，与传统3D打印相比，能够将生产速度提高100倍。除无人机机身、机翼等航空零件外，阿瑞沃公司还生产与无人机框架结构类似的自行车车架，连续纤维3D打印技术使其开发周期从18个月缩短到了18天。该公司于2019年2月投入使用的新工厂拥有8个机器人工作单元，可完成包括打印本身、后处理（如钻孔）以及用于喷涂的预打磨，每天共可生产8个大型零件。该公司正在测试每台机器人运行多个打印头以及每个工作单元运行多个机器人，以将生产速度再提高3倍。为了在整个提速过程中保持质量和可重复性，该公司采用了原位检测和机器学习技术，为打印头配装多个传感器（测量高度、压力、变形等）， 系统软件使用这些传感器数据，根据需要实时调整工艺参数。这样，当工作单元需要更快运行时，就可以确保沉积速率、加热、固化和其他参数得到最优匹配。

McNair 3D打印技术旨在生产高度复杂且独特的结构

美国轨道复合材料公司开发了由并联机器人、模块化同轴挤出末端执行器组成的高度定制化的3D打印设备，挤出喷嘴通过其中心孔供给基体材料，通过周围的环形喷嘴供给纤维，并联机器人通过多台协作加快生产速度，可比传统3D打印快100倍。该技术的特点是可适应几乎任何复合材料：3-48K丝束的干燥和黏合纤维；包括热固性/热塑性塑料和碳化硅在内的塑料、陶瓷或金属基体；并且能够结合铜或铝线、纳米材料、导电油墨或其他有助于实现多功能结构的材料。这使其特别适合无人机类应用， 投资一种设备即可应用于所有结构和功能组件。

意大利莫伊复合材料公司开发的连续纤维制造工艺，旨在解决使用热固性树脂进行3D打印的挑战，并已成功用环氧树脂、丙烯酸和乙烯基酯打印连续玻璃纤维增强复合材料。除了适用于碳纤维应用的固化机制外，该工艺还可使用紫外线固化方式，所需固化时间小于1秒。目前， 该技术已开始用于航空结构件制造。

复杂或精密结构的快速研制和小批量生产

美国南卡罗来纳大学McNair航空航天创新与研究中心的研究团队开发了一种熔融长丝制造（FFF） 工艺，FFF系统使用配备有连续纤维沉积末端执行器的工业机器人平台，可提供7个自由度。该技术非常适合三类应用：一是模具或芯轴成本相对过高的小批量航空结构制造，如仅需一个特定高强度组件的无人机或小型航空器；二是利用其他制造方法无法产生所需强度质量比和刚度质量比的高度复杂的结构，如加强网格； 三是套印，这是一种在打印过程中插入组件并由此完全嵌入打印零件中的技术， 可以实现零件整合，如在打印零件中嵌入射频识别芯片或电子传感器。传统采用自动丝束铺放的航空结构集成度很低， 而该技术的亮点在于，如果使用热塑性塑料制造复合材料结构，每次就是通过套印重新熔化以增加新组件，消除铆钉、紧固件和黏结剂可显著改善这些结构。

荷兰CEAD集团于2018年11月推出其“优质”（Prime）大型连续纤维增材制造3D打印机，其尺寸为2米×4米×1.5米，是欧洲最大的3D打印机。制造过程中，打印机首先使用所需的热塑性树脂预浸渍连续玻璃纤维或碳纤维， 然后打印头将连续纤维与熔化的热塑性树脂颗粒结合，其中还可包括一定百分比的短切纤维，特别有利于小批量生产大型复杂产品。它还具有智能加热/冷却系统，可通过热感摄像头监测工艺，并根据需要实时进行调整。