大規模復合3D打印+壓縮成型。 為了實現高性能，大批量，大規模，3D打印的復合材料部件，橡樹嶺實驗室（ORNL）開發了一種名為AMCM的系統，將機器人，基于擠出的3D打印與壓縮成型相結合。個測試用例包括圖中的螺旋槳葉片，目標是包括汽車電池盒和其他大批量，復雜幾何形狀的應用。圖片來源：ORNL（左）和CW（右）

位于橡樹嶺實驗室（ORNL，Oak Ridge，美國田納西州）的110，000平方英尺的制造示范設施（MDF）是美國能源部（DOE）的用戶設施，專注于制造，機器人和模擬（包括復合材料）許多領域的早期研發。

CW經常涉及的一項創新是ORNL的大面積增材制造（BAAM）大幅面3D打印機，與辛辛那提公司（美國俄亥俄州哈里森）一起開發和商業化。BAAM已被用于制造基礎設施，航空航天和汽車應用的模具，以及從機床底座到海洋結構等終用途零件。

從歷史上看，大幅面增材制造（AM）的一個局限性是，3D打印傾向于生產具有不規則和粗糙表面以及相對較高空隙含量的零件，這禁止在許多高性能終用途零件中使用AM。為了減少孔隙率，已經做出了一些商業努力，通過添加二次加工步驟（如壓縮成型） 來減少孔隙率。在過去的兩年中，一個ORNL團隊一直致力于開發自己的可擴展的兩步工藝，以消除大批量，大尺寸終用途零件中的空隙，同時保持每個零件不到2.5分鐘的短生產周期時間。

開發用于大規模、大批量、3D 打印部件的單元

ORNL的工藝稱為AMCM（增材制造和壓縮成型），將基于機器人的擠出打印機與即時壓縮成型步驟相結合。

AMCM已經開發了兩年多，該團隊初是從使用MDF現有的大幅面BAAM打印機和壓縮機開始的。使用這種設置，ORNL能夠證明工藝組合的初始優勢，例如終零件中的低空隙。然而，這些機器并不彼此相鄰，BAAM和壓力機之間相對較短的行程距離需要在壓縮成型之前在帶式烘箱中進行額外的再加熱步驟，以將預制棒再次軟化到正確的玻璃化轉變溫度（Tg).每個零件額外五到六分鐘的預熱顯著增加了整體循環時間，每個零件的總時間達到八到九分鐘，ORNL先進復合材料制造集團的研發助理人員Vipin Kumar博士說。

Kumar指出，很快就發現需要一個將AM和壓縮成型結合到一個系統中的專用生產單元，以證明該技術可以在大批量生產環境中使用。

實驗室規模的測試單元。 ORNL的實驗室規模的AMCM單元于2021年秋季成立，結合了機器人，基于擠出的3D打印和壓縮壓力機，以測試系統的極限。終，ORNL正在與行業合作伙伴合作，在航空航天，汽車和其他行業中生產商業就緒的應用。圖片來源：ORNL

為了縮短該技術的周期時間，ORNL提出了當前AMCM單元的概念，該概念于2021年11月安裝。該單元包括一個 Strangpresse（美國俄亥俄州揚斯敦）擠出打印頭，安裝在一個六軸庫卡（德國奧格斯堡）機械臂上，一個 Trinks（美國威斯康星州德佩爾）500 噸壓縮壓機和一個材料干燥系統。打印機每小時可存放多達 150 磅的材料。

“我們在材料的正常熔化溫度下擠出材料（有時我們也在稍高的溫度下擠出），這給了我們足夠的時間，在材料冷卻到其Tg以下（對材料進行任何壓縮的主要參數），”Kumar說。“值得注意的是，當我們使用加熱模具時，所有這些參數都會發生變化。在這種情況下，我們不必擔心讓材料快速冷卻。但加熱步驟的增加將增加零件循環時間。

印刷到模具中。為了縮短周期時間，AMCM 系統直接打印到模具中，模具將通過傳送帶進入印刷機。圖片來源：ORNL

為了在AMCM單元中生產零件，零件幾何形狀直接擠出到模具上，從而產生3D定制預制件，該預制件通過傳送帶直接進入壓力機進行立即成型（見下面的視頻）。Kumar解釋說，材料是在材料的熔化溫度或略高于材料熔化溫度的情況下擠出的，并且AMCM單元的設計允許預制棒在材料冷卻到其T以下之前到達壓力機進行壓縮g.

在近一次MDF參觀期間，CW觀看了Kumar和他的同事在20%碳纖維/ ABS的簡單平板上演示AMCM電池，該面板在2.5分鐘的總循環時間內被打印，壓制和干燥。從那時起，AMCM也已經在無人機螺旋槳等其他平面部件上進行了演示。

這個想法是，基于機械臂的打印機可以生產相對較大尺寸或復雜幾何形狀的零件;但是，目前的實驗室規模系統僅限于500噸壓力機的41 x 48英寸模具尺寸限制。Kumar指出，目前，模具沒有加熱，但是，如果要打印更大的零件，則可能需要加熱的模具，以確保3D打印的預制棒不會冷卻得太快并保持在其T以上。g通過印刷過程并轉移到印刷機中。“值得注意的是，當我們使用加熱模具時，擠壓溫度等當前參數會發生變化，”他說。“在這種情況下，我們不必擔心讓材料快速冷卻，但增加加熱步驟將增加零件周期時間。

Kumar解釋說，該單元的次演示側重于平面，單材料部件，以測試系統的速度和功能，但終該團隊的目標是更復雜的非平面形狀和多材料打印 - 材料包括玻璃纖維增強ABS，尼龍等。與行業合作伙伴合作的項目也在開發中。

“這是一個高度受控的過程，基本上去除了所有空隙，導致聚焦的纖維取向和排列，”ORNL的科學家Ahmed Hassen博士補充說。

個測試用例：無人機螺旋槳葉片。 ORNL設想其AMCM單元能夠生產大批量商業零件，可能是大規模的。作為個測試案例，技術人員建造了一系列碳纖維增強熱塑性螺旋槳葉片，如無人機（UAV）上的葉片。圖片來源：ORNL

AMCM單元雖然作為實驗室規模的系統存在于MDF中，但據說可以輕松擴展用于生產環境，并實現數字化，數字設計和自動化。

Kumar和他的團隊設想了這一過程，使汽車（如電池盒或椅背）和城市空中交通（如無人機螺旋槳）等領域的下一代復合材料部件能夠實現大批量生產。Kumar說，經過全面優化后，該系統預計每小時可生產多達120個零件。

有關 3D 打印的更多信息

AMCM工藝是CW近一次MDF之旅的主要特征之一，但不是唯一正在開發的復合材料3D打印創新?？偟膩碚f，3D打印仍然是ORNL的一個主要關注領域，包括正在進行的BAAM打印機的工作，包括多材料打印;用泡沫印刷;用生物基，再生纖維或天然纖維印刷;將電線打印到3D打印部件的中心;以及更多。

在MDF BAAM打印機的通道下方，坐落著反應式增材制造（RAM）打印機的個實驗室版本。使用Magnum Venus Products（MVP，田納西州諾克斯維爾，美國）并使用Polynt（美國北卡羅來納州達勒姆）樹脂開發，這是一款大幅面熱固性復合3D打印機，也在MVP附近的諾克斯維爾工廠以商業形式開發和銷售。

燈絲纏繞作為3D打印的增強材料。 使用MVP設備，ORNL研究人員探索在3D打印零件頂部（以實現復雜幾何形狀）的燈絲繞組（用于抗壓強度）的組合。圖片來源：CW

在MDF，ORNL繼續優化材料流動特性，并使用RAM系統構建演示部件。RAM的其他工作包括一個MVP項目，將RAM系統與MVP實驗室規模的燈絲卷繞機集成，該卷繞機也位于MDF中。這項工作涉及使用RAM打印機打印演示部件，然后用燈絲纏繞在固化的3D打印部件周圍的其他材料作為增強材料。ORNL還與波音公司（美國伊利諾伊州芝加哥）合作開展一個項目，使用RAM系統進行3D打印工具。

新型3D打印材料開發。Orbital Composites與ORNL合作開發新的熱固性和熱塑性材料，用于其機器人3D打印系統。在MDF上設置了幾臺測試機器。圖片來源：CW

ORNL還與合作伙伴Orbital Composites（美國加利福尼亞州圣何塞）合作，尋求優化多材料機器人3D打印。研究人員正在努力使該系統能夠打印熱塑性或熱固性長絲，從而在非平面表面上更準確地打印，并在熱塑性不連續纖維部件上打印連續纖維。ORNL正在研究材料化學，而Orbital旨在完善機器和隨附的軟件。正在開發的應用包括無人機組件、工具以及汽車和風能部件。

持續的復合材料創新：CMC、生物材料等

無論有沒有3D打印，MDF目前都活躍在許多復合材料領域，包括用于極端環境（如太空再入結構和核反應堆）的碳碳（C-C）材料。例如，Orbital Composites通過ORNL的MDF，正在嘗試3D打印C-C火箭噴嘴。ORNL也在研究C-C工具-有益的，因為它具有接近零的熱膨脹。與項目合作伙伴桑迪亞實驗室（美國新墨西哥州阿爾伯克基）的另一項合作重點是用于各種國防和航空航天應用的C-C和陶瓷基復合材料（CMC）應用。

生物基材料開發也是一個關鍵的重點領域，特別是用于3D打印的生物基原料，由ORNL高級研發科學家Soydan Ozcan博士領導。ORNL與緬因大學先進結構和復合材料中心（UMaine，Orono，緬因州，美國）密切合作，開發纖維素納米原纖維（CNF）并使用各種制造工藝應用這些材料。在與UMaine的一個試點項目中，使用CNF材料在UMaine的60 x 22英尺構建體積LFAM打印機上建造了兩個用于七件式100英尺海上風電葉片的模具。在這個項目中，ORNL完成了材料和設備開發。

另一個專注于可持續發展的團隊正在研究包括風力葉片在內的復合材料部件的實驗室規?；厥辗椒?。這里的系統采用碎紙機和水射流切割機來探索加工/粉碎報廢（EOL）零件的新方法。再利用案例也在評估中，例如將回收的切碎材料放入3D打印顆粒中，以反饋到BAAM打印機中。

專注于EOL和可持續性。 ORNL在報廢（EOL）解決方案上的工作包括風力葉片的水射流切割（如圖所示），然后通過3D打印或其他工藝進行粉碎和再利用。圖片來源：CW

美國能源部位于ORNL的碳纖維技術設施（CFTF）距離MDF有30分鐘車程，運行著一條全尺寸的碳纖維生產線，使技術人員能夠試驗和優化碳纖維生產的各個方面以及下線碳纖維的性能。位于CFTF工廠的BAAM打印機和拉擠系統可以立即從新制造的纖維中制造零件。正在進行的努力包括用煤炭制造低成本，高質量的碳纖維，以及在生產過程中以使其本質上抵抗雷擊的方式進行處理的碳纖維 - 無需為飛機或風力渦輪機部件提供額外的雷擊保護（LSP）。

根據ORNL先進復合材料制造小組負責人Vlastimil Kunc博士的說法，CW的巡演幾乎沒有觸及ORNL及其合作伙伴繼續在MDF所做的工作的表面。“明天的許多創新今天就開始了，”他說。