安装在慕尼黑工业大学（TUM）碳复合材料（LCC）中心的先进铺带+增材制造（ATLAM）打印头
先进铺带+增材制造（ATLAM-Advanced Tape Layer Additive Manufacturing）的打印头最近安装在慕尼黑工业大学（TUM，Germany）碳复合材料中心（LCC）位于德国陶夫基兴 Ludwig-Bölkow 校区的工厂。ATLAM将连续纤维增强复合材料带铺设与大尺寸添加剂制造相结合，由 CEAD（荷兰代尔夫特）和 GKN Aerospace（英国索利赫尔）通过其子公司 GKN 航空航天德国有限公司（德国吉凯恩慕尼黑）开发。
ATLAM 工具头将在研究项目 3DP-MAT 中与合作伙伴 GKN Munich、机械加工专家 Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH（德国博宾根）和 TUM 的 LCC 一起用于制造航空航天应用的低成本复合材料工具。通过在基于挤压的 3D 打印过程中集成连续碳纤维带，与仅使用短纤维增强打印的工具相比，最终工具实现了较低的热膨胀系数（CTE- thermal expansion）。低 CTE 对于符合航空航天行业所需的严格公差至关重要。在 3DP-MAT 项目中，Hufschmied 正在开发一种模块化夹具，该夹具将使具有不同形状的打印零件能够直接进行后处理，达到其最终公差。ATLAM 技术的未来研究将包括结构部件。3DP-MAT 项目由巴伐利亚州经济事务、媒体、能源和技术部资助。
在复合材料襟翼生产中的 ATLAM
大型增材制造业在过去十年中不断发展。在硬件和软件供应商、材料专家和最终用户的帮助下，已经开发了许多基于龙门架和机器人的系统，这些系统具有各种尺寸和产量的挤出机，并且技术已经普及。
CEAD 处于这项技术的前沿，包括基于机器人的 3D 打印，提供了一系列挤出机来满足各个行业客户的需求。CEAD 挤出机设计为独立系统，输出高达 84 公斤/小时，能够将几乎任何大型机械臂转换为用于大体积部件的打印系统。CEAD 的交钥匙混合 Flexbot 系统能够进行加法和减法制造，使客户能够交付具有所需表面光洁度和公差的完整零件。目前，全球有 100 多个 CEAD 系统在运行。
CFRP 襟翼生产中使用的增强件工具示意图。
GKN 公司专门为空客系列商用飞机生产碳纤维复合材料襟翼。该公司于 2018 年开始与 CEAD 合作，探索如何自动化制造复合材料襟翼的加筋（增强件）蒙皮的生产过程。在 180°C 的热压罐固化过程中，该工艺需要数百种不同的复合增强件来形成襟翼蒙皮内侧。增强件是使用昂贵的复合材料工具生产的，该工具由预浸材料制成，手动放置在由铝块加工而成的主工具上，每个几何结构独特的增强件一个。这一多阶段工艺需要密集的手工劳动和多次热压罐固化循环。因此，它的成本很高，交货期很长，长达数周，生产金属主工具还需要额外的 3-6 个月。
第一步，热膨胀系数（CTE- thermal expansion）
3D 打印和机械加工复合材料增强工具。碳纤维增强复合材料，由CEAD 和 GKN Munich 开发的可用于复合材料襟翼生产的热压罐工具
2019 年，GKN 航空航天公司和 CEAD 首次尝试用使用 CEAD Flexbot 的 3D 打印版本取代传统增强件。混合 Flexbot 系统可以将增强件 3D 打印到接近净形状，然后在第二个生产步骤中将打印的蒙皮零件铣削到最终轮廓，以实现航空航天工具所需的高公差。该工艺消除了使用预浸料时所需的主工具和固化周期，以及生产浪费。
这第一步成功地实现了增强件生产的自动化和简化，使其比传统工艺更快、更可持续。
然而，用于大型 3D 打印工具（>1.5m）的短纤维增强热塑性塑料在暴露于 180°C 的高温热压罐循环时具有较大的热膨胀。具有高热膨胀系数（CTE）的工具可能会导致尺寸变化并影响最终零件的质量。通过工具设计也很难进行充分的补偿。这形成了在航空航天制造过程中对大型高温热压罐模具采用 3D 打印的限制，该过程需要模具和最终零件的高公差。
第一代 ATLAM 打印头
为了克服这些挑战并充分利用大规模 3D 打印的潜力，需要开发一种新的工艺来降低大型 3D 打印热压罐工具的 CTE。CEAD 着手开发一种全新的打印头，该打印头结合了两种现有的自动化处理技术：自动铺带和大规模增材制造颗粒挤出技术。其结果是 ATLAM（高级带层增材制造），这是一个单一的打印头，包含一个用于热塑性挤出的喷嘴和一个用于放置浸渍的连续纤维带的相邻出口，该连续纤维带可以定向在不同的方向。这些层通过红外（IR）热源直接融合在一起，红外热源在将胶带和基底层放置在挤出的 3D 打印热塑性层的顶部之前对其进行预热。其结果是两个焊接层混合结构作为打印头前进沿其路径。最后，航空航天级 CTE ATLAM 在零件制造中提供了多功能性，因为它允许通过独立控制挤出喷嘴和胶带出口来局部调整材料性能。通过改变胶带增强类型、宽度和热塑性基体， ATLAM 增强了印刷过程的灵活性。胶带可以用高性能碳纤维、玻璃纤维和金属纤维加固。打印头可以处理高达 400°C 的高温聚合物，如 PESU、PEI 和 PEEK。这创造了无尽的组合，可以根据应用调整和定制材料特性，如 CTE、强度和刚度。ATLAM 中使用的这些聚合物由 Airtech International（美国加利福尼亚州亨廷顿海滩）提供，作为其 Dahltram 系列高性能增材制造产品的一部分。
ATLAM 将自动胶带铺设和大规模增材制造颗粒挤出结合到一个打印头中
ATLAM 正在 TUM 接受 LCC 的测试。ATLAM 3D打印工具的 CTE 值显示，当使用编织预浸料带时，在 x方向上降低了 65%，在 y 方向上下降了 70%。这接近于用 CFRP 预浸料或因瓦制成的传统工具的 CTE 值。此 外，ATLAM 使用的连续纤维还提高了机械强度，减少 了大型印刷零件的材料翘曲。迄今为止的测试结果表明，通过在短纤维增强热塑性材料中嵌入连续碳纤维，无论 是在 x 方向还是 y 方向，3D 打印工具都具有无与伦比 的低材料 CTE。
降低成本，提高可持续性
ATLAM 的数字设计和 3D 打印工具可以将增强器等航空航天工具的交付周期缩短 80%。与传统的因瓦或碳纤维增强塑料工装工艺相比，ATLAM 将工装制造速度提高了 500%，并将工装成本降低了至少 50%。在维修使用过的工具期间，可以进一步节省成本和时间。传统工具在损坏时需要大量的手动工作和时间来修复，这可能会在几个使用周期后发生。PESU 和 PEI 等热塑性材料在高温下非常稳定，并在需要修复之前显示出增强的耐久性和韧性，可长期使用。3D 打印工具也可以通过使用热塑性焊接更快地修复。或者，可以在短时间内打印新工具。
CEAD 与 GKN Munich 和 TUM LCC 合作开发了第二代 ATLAM 打印头（顶部）。该团队继续进行打印头测试和材料开发，以推进复合材料工具和零件的开发。
由热固性预浸料制成的传统工具需要多次热压罐循环，能耗高。ATLAM 技术旨在通过使用原位固结生产工具和零件来消除热压罐，从而减少能源足迹。通过使用热塑性复合材料，还可以通过消除热固性预浸料所需的冷藏储存来节省能源。此外，传统的 CFRP预浸模具制造涉及额外的主叠层工具，这会产生大量废料。ATLAM 消除了对主叠层工具的需求，可以将零件打印到接近净形状，这两种方式都有助于显著减少浪费。传统的热固性复合材料不能回收或重复使用。相比之下，热塑性 3D 打印工具可以切碎并重新用于新的用途。总的来说，ATLAM 节省了材料、生产时间和能源消耗，减少了工具生产和使用的总体环境足迹。
ATLAM 为当前的模具生产流程提供了一种更快、更自动化、更具成本效益、更耐用、更灵活的替代方案。它还为生产大型高温热压罐工具的传统 3D 打印方法所面临的挑战提供了解决方案。因此，ATLAM 在复合材料行业的很大一部分中消除了 3D 打印工具的限制。
未来发展，零件
ATLAM 还为模具以外的零件开辟了可能性，因为它能够将连续纤维嵌入挤出的 3D 打印热塑性材料中。这可能对最终使用的零件感兴趣，因为在这些零件中，短纤维增强热塑性塑料单独不能提供所需的强度和刚度。随着 TUM、CEAD 和 GKN Munich 完成进一步的 ATLAM 测试和材料研究，这种新的 3D 打印工艺将继续改进。CEAD 在 JEC World 2023（4 月 25-27 日，法国巴黎）5 号展厅 S41 展位展出。
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注：原文见，《 ATLAM combines composite tape laying,large-scale thermoplastic 3D printing in one printhead 》4/21/2023
杨超凡
（本文经译者同意发布）