安裝在慕尼黑工業大學（TUM）碳復合材料（LCC）中心的先進鋪帶+增材制造（ATLAM）打印頭

先進鋪帶+增材制造（ATLAM-Advanced Tape Layer Additive Manufacturing）的打印頭最近安裝在慕尼黑工業大學（TUM，Germany）碳復合材料中心（LCC）位于德國陶夫基興 Ludwig-Bölkow 校區的工廠。ATLAM將連續纖維增強復合材料帶鋪設與大尺寸添加劑制造相結合，由 CEAD（荷蘭代爾夫特）和 GKN Aerospace（英國索利赫爾）通過其子公司 GKN 航空航天德國有限公司（德國吉凱恩慕尼黑）開發。

ATLAM 工具頭將在研究項目 3DP-MAT 中與合作伙伴 GKN Munich、機械加工專家 Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH（德國博賓根）和 TUM 的 LCC 一起用于制造航空航天應用的低成本復合材料工具。通過在基于擠壓的 3D 打印過程中集成連續碳纖維帶，與僅使用短纖維增強打印的工具相比，最終工具實現了較低的熱膨脹系數（CTE- thermal expansion）。低 CTE 對于符合航空航天行業所需的嚴格公差至關重要。在 3DP-MAT 項目中，Hufschmied 正在開發一種模塊化夾具，該夾具將使具有不同形狀的打印零件能夠直接進行后處理，達到其最終公差。ATLAM 技術的未來研究將包括結構部件。3DP-MAT 項目由巴伐利亞州經濟事務、媒體、能源和技術部資助。

在復合材料襟翼生產中的 ATLAM

 

大型增材制造業在過去十年中不斷發展。在硬件和軟件供應商、材料專家和最終用戶的幫助下，已經開發了許多基于龍門架和機器人的系統，這些系統具有各種尺寸和產量的擠出機，并且技術已經普及。

CEAD 處于這項技術的前沿，包括基于機器人的 3D 打印，提供了一系列擠出機來滿足各個行業客戶的需求。CEAD 擠出機設計為獨立系統，輸出高達 84 公斤/小時，能夠將幾乎任何大型機械臂轉換為用于大體積部件的打印系統。CEAD 的交鑰匙混合 Flexbot 系統能夠進行加法和減法制造，使客戶能夠交付具有所需表面光潔度和公差的完整零件。目前，全球有 100 多個 CEAD 系統在運行。

CFRP 襟翼生產中使用的增強件工具示意圖。

 

GKN 公司專門為空客系列商用飛機生產碳纖維復合材料襟翼。該公司于 2018 年開始與 CEAD 合作，探索如何自動化制造復合材料襟翼的加筋（增強件）蒙皮的生產過程。在 180°C 的熱壓罐固化過程中，該工藝需要數百種不同的復合增強件來形成襟翼蒙皮內側。增強件是使用昂貴的復合材料工具生產的，該工具由預浸材料制成，手動放置在由鋁塊加工而成的主工具上，每個幾何結構獨特的增強件一個。這一多階段工藝需要密集的手工勞動和多次熱壓罐固化循環。因此，它的成本很高，交貨期很長，長達數周，生產金屬主工具還需要額外的 3-6 個月。

第一步，熱膨脹系數（CTE- thermal expansion）

3D 打印和機械加工復合材料增強工具。碳纖維增強復合材料，由CEAD 和 GKN Munich 開發的可用于復合材料襟翼生產的熱壓罐工具

 

2019 年，GKN 航空航天公司和 CEAD 首次嘗試用使用 CEAD Flexbot 的 3D 打印版本取代傳統增強件。混合 Flexbot 系統可以將增強件 3D 打印到接近凈形狀，然后在第二個生產步驟中將打印的蒙皮零件銑削到最終輪廓，以實現航空航天工具所需的高公差。該工藝消除了使用預浸料時所需的主工具和固化周期，以及生產浪費。

這第一步成功地實現了增強件生產的自動化和簡化，使其比傳統工藝更快、更可持續。

然而，用于大型 3D 打印工具（>1.5m）的短纖維增強熱塑性塑料在暴露于 180°C 的高溫熱壓罐循環時具有較大的熱膨脹。具有高熱膨脹系數（CTE）的工具可能會導致尺寸變化并影響最終零件的質量。通過工具設計也很難進行充分的補償。這形成了在航空航天制造過程中對大型高溫熱壓罐模具采用 3D 打印的限制，該過程需要模具和最終零件的高公差。

第一代 ATLAM 打印頭

 

為了克服這些挑戰并充分利用大規模 3D 打印的潛力，需要開發一種新的工藝來降低大型 3D 打印熱壓罐工具的 CTE。CEAD 著手開發一種全新的打印頭，該打印頭結合了兩種現有的自動化處理技術：自動鋪帶和大規模增材制造顆粒擠出技術。其結果是 ATLAM（高級帶層增材制造），這是一個單一的打印頭，包含一個用于熱塑性擠出的噴嘴和一個用于放置浸漬的連續纖維帶的相鄰出口，該連續纖維帶可以定向在不同的方向。這些層通過紅外（IR）熱源直接融合在一起，紅外熱源在將膠帶和基底層放置在擠出的 3D 打印熱塑性層的頂部之前對其進行預熱。其結果是兩個焊接層混合結構作為打印頭前進沿其路徑。最后，航空航天級 CTE ATLAM 在零件制造中提供了多功能性，因為它允許通過獨立控制擠出噴嘴和膠帶出口來局部調整材料性能。通過改變膠帶增強類型、寬度和熱塑性基體， ATLAM 增強了印刷過程的靈活性。膠帶可以用高性能碳纖維、玻璃纖維和金屬纖維加固。打印頭可以處理高達 400°C 的高溫聚合物，如 PESU、PEI 和 PEEK。這創造了無盡的組合，可以根據應用調整和定制材料特性，如 CTE、強度和剛度。ATLAM 中使用的這些聚合物由 Airtech International（美國加利福尼亞州亨廷頓海灘）提供，作為其 Dahltram 系列高性能增材制造產品的一部分。

ATLAM 將自動膠帶鋪設和大規模增材制造顆粒擠出結合到一個打印頭中

 

ATLAM 正在 TUM 接受 LCC 的測試。ATLAM 3D打印工具的 CTE 值顯示，當使用編織預浸料帶時，在 x方向上降低了 65%，在 y 方向上下降了 70%。這接近于用 CFRP 預浸料或因瓦制成的傳統工具的 CTE 值。此 外，ATLAM 使用的連續纖維還提高了機械強度，減少 了大型印刷零件的材料翹曲。迄今為止的測試結果表明，通過在短纖維增強熱塑性材料中嵌入連續碳纖維，無論 是在 x 方向還是 y 方向，3D 打印工具都具有無與倫比 的低材料 CTE。

降低成本，提高可持續性

 

ATLAM 的數字設計和 3D 打印工具可以將增強器等航空航天工具的交付周期縮短 80%。與傳統的因瓦或碳纖維增強塑料工裝工藝相比，ATLAM 將工裝制造速度提高了 500%，并將工裝成本降低了至少 50%。在維修使用過的工具期間，可以進一步節省成本和時間。傳統工具在損壞時需要大量的手動工作和時間來修復，這可能會在幾個使用周期后發生。PESU 和 PEI 等熱塑性材料在高溫下非常穩定，并在需要修復之前顯示出增強的耐久性和韌性，可長期使用。3D 打印工具也可以通過使用熱塑性焊接更快地修復?；蛘?，可以在短時間內打印新工具。

CEAD 與 GKN Munich 和 TUM LCC 合作開發了第二代 ATLAM 打印頭（頂部）。該團隊繼續進行打印頭測試和材料開發，以推進復合材料工具和零件的開發。

 

由熱固性預浸料制成的傳統工具需要多次熱壓罐循環，能耗高。ATLAM 技術旨在通過使用原位固結生產工具和零件來消除熱壓罐，從而減少能源足跡。通過使用熱塑性復合材料，還可以通過消除熱固性預浸料所需的冷藏儲存來節省能源。此外，傳統的 CFRP預浸模具制造涉及額外的主疊層工具，這會產生大量廢料。ATLAM 消除了對主疊層工具的需求，可以將零件打印到接近凈形狀，這兩種方式都有助于顯著減少浪費。傳統的熱固性復合材料不能回收或重復使用。相比之下，熱塑性 3D 打印工具可以切碎并重新用于新的用途。總的來說，ATLAM 節省了材料、生產時間和能源消耗，減少了工具生產和使用的總體環境足跡。

ATLAM 為當前的模具生產流程提供了一種更快、更自動化、更具成本效益、更耐用、更靈活的替代方案。它還為生產大型高溫熱壓罐工具的傳統 3D 打印方法所面臨的挑戰提供了解決方案。因此，ATLAM 在復合材料行業的很大一部分中消除了 3D 打印工具的限制。

未來發展，零件

 

ATLAM 還為模具以外的零件開辟了可能性，因為它能夠將連續纖維嵌入擠出的 3D 打印熱塑性材料中。這可能對最終使用的零件感興趣，因為在這些零件中，短纖維增強熱塑性塑料單獨不能提供所需的強度和剛度。隨著 TUM、CEAD 和 GKN Munich 完成進一步的 ATLAM 測試和材料研究，這種新的 3D 打印工藝將繼續改進。CEAD 在 JEC World 2023（4 月 25-27 日，法國巴黎）5 號展廳 S41 展位展出。

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注：原文見，《 ATLAM combines composite tape laying,large-scale thermoplastic 3D printing in one printhead 》4/21/2023

楊超凡

（本文經譯者同意發布）