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空客3D打印碳纤维复材寻求更轻的客舱支架

2021-12-16 16:123030
 2014年,一件3D打印的空客A350XWB支架连接器因彻底改变了飞机构件的制造方式和民用飞机的“轻量化”途径,从而入选“德国工业创新奖”。这个用于固定飞机机翼和发动机的部件因具有复杂的几何结构而无法采用传统工艺制造,但3D打印这种新的制造工艺却将其塑造为现实。这种跨行业的开发形式不仅获得了更高的质量,且更具有经济价值,从而促进性了它的批量化应用。
  
空客公司表示,通过整合这些零件的生产流程,3D打印使其对供应链的控制力更强。同时,在中等制造数量下,3D打印比传统工艺更具成本效益,且大大缩短了交货时间。在需求可能不可预测的行业中,这是一个重要的权衡因素。
 
“轻量化结构”能够帮助航空公司更经济地运营飞机。新的飞机设计需要数千个飞行测试安装支架,这些支架的生产单位数量非常少,而增材制造技术则允许设计师尝试新的结构。多年过去,3D打印工艺和材料科学获得了进一步发展,“轻量化”和“仿生学”也指向了一个新的趋势。据了解,一架商用飞机每减轻一公斤重量,就可以在其使用寿命期间减少25吨CO2排放,复合材料在性能可靠的情况下无疑会进一步推动轻量化的发展。
  
近日,先进制造商Arris Composites透露了与空客公司合作的一项研究,该项目专注于机舱支架的生产,并希望通过利用创新的制造方法和材料(包括复合材料)来实现航空碳排放量的显著减少。
 
Arris Composites公司开发了一种称为Additive Molding的技术,通过在热塑性树脂中精确排列连续纤维,获得了具有无与伦比机械性能的下一代复合材料及成熟的大批量成型方法,这些产品具有高度集成性,所制造的产品比金属更坚固、更轻。据Arris称,将220克的金属支架进行拓扑优化后采用连续纤维复合材料3D打印可以使零件重量减轻75%到50克。ArrisComposites声称,金属替代的新时代已经到来,机加工、3D打印、金属铸造、金属注射成型和金属包覆成型的产品可以被卓越的复合设计替代。连续纤维+热塑性塑料复合制造实现了高强度和轻量化零件的批量生产,通过这种新工艺,可以以与塑料成型产品相同的速度生产高级碳纤维材料,而碳纤维零部件替换钛材料,可使重量减轻78%。
 
Arris的工艺吸引了众多行业的关注,其中一个原因是Arris的增塑成型零件能够比铸件整合更多的零件,一方面是碳纤维带来的经济性及轻量化的优势,另一方面是3D打印带来的结构一体化的优势。
  
Arris的工艺过程从干燥的碳纤维丝束开始,纤维束通过浸渍过程预浸成胶带和丝束形式。预浸料带可以是平坦的,或者可以直接形成所需的轮廓形状。Arris Composites 具有预浸料带的生产能力,未来该技术的一项发展是将料带(和丝束)直接送入下一生产步骤。目前,该公司提供的预浸带宽度为1到24英寸(约2.5-61厘米)。
  
接下来,专有的机器人设备将预浸料坯进行成型、切割并将其放入模腔内的终位置。规定的预浸料准备就绪后,模具将合上并向复合材料施加热量和压力以进行固结和固化。
  
在该技术中,放置材料的机制与自动胶带铺放和通常意义上的3D打印过程有所不同,Arris 的技术是对预浸料进行成型,而不是在原地进行固结和粘结。这种方式可以提高预成型过的速度。
  
这样Arris可以打印连续的碳束,并沿着零件的应力矢量线缠绕整个零件。零件的结构以所称的“近净形状”打印,零件的纤维贯穿整个零件。Arris的工艺可以使得零件更加复杂,并拥有很高的分辨率和形状控制能力。
  
Arris Composites的技术已在多个市场上获得了应用,利用革命性的连续碳纤维增强功能使得产品更轻、更坚固、更智能。一方面,Arris Composites的解决方案满足了航空航天工业和汽车制造领域对寻求耐腐蚀,高强度和耐用的玻璃纤维和碳纤维结构零件制造的需求。另一方面,Arris Composites的解决方案释放了消费品和体育用品品牌的创新潜力,使得消费领域可以通过提高产品性能和差异化来寻求新的商业优势。
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