混合制造技术。9T Labs开发了一种混合制造技术，使用其增材融合技术（AFT），将连续纤维预成型件定位在零件的高应力区域，而不连续纤维则较少依赖连续纤维的强度特性。
碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）具有卓越的强度重量比，这使其在许多行业的结构应用中具有吸引力。然而，纤维长度对于利用碳纤维的强度特性至关重要，制造复杂性随着纤维长度的保持而增加。
连续纤维具有卓越的机械性能。设计师还可以根据零件在使用中的负载方向和条件对其进行优化。同时，不连续纤维提供了制造灵活性，但由于材料基本上是均匀的，因此在强度和负载优化方面存在损失。
片状或块状模塑料（BMC）形式的长、不连续纤维的压缩成型等技术为制造相对复杂的形状提供了连续和短纤维系统之间的中间解决方案。然而，这些技术的纤维长度和性能的高度变化限制了零件的再现性。
为了利用连续和不连续纤维的优点，需要一种混合解决方案，将连续纤维定位在需要的地方，将不连续纤维定位到对连续纤维强度特性依赖较小的地方。9T Labs（瑞士苏黎世）是一家专门从事增材制造（AM）技术的公司，与普渡大学（美国印第安纳州西拉斐特）一起，最近开发了一种使用增材融合技术（AFT-Additive Fusion Technology）的混合制造技术。
9T Labs业务开发总监雅尼克·威廉明（Yannick Willemin）解释说：“AFT是一种集成的复合材料制造软件和硬件解决方案，可以大规模自动化制造复杂的结构复合材料零件。”。“AFT支持热塑性复合材料零件的复杂制造，包括连续纤维预成型件的增材制造及其使用不连续纤维增强热塑性板系统的包覆成型。它具有成本竞争力的结构和复合材料制造的可持续性，有助于推动零件制造商可以成功实施的创新。”
销支架零件。
销支架零件。单向（UD）碳纤维增强聚合物预成型件支撑销钉支架的耳部和底部，如图所示，而长而不连续的碳纤维增强塑料用于支撑模具中的预成型件，使零件表现为一个完整的整体
最近，普渡大学和9T实验室使用AFT为飞机顶箱制造了一个销钉支架。连续纤维预制件由碳纤维增强聚醚酮（PEKK）以60%的纤维体积3D打印而成，用于支架的高负载情况区域，而纤维片则以60%的纤维体积不连续碳纤维增强PEKK应用于其他地方。9T Labs设计了连续纤维AM预成型件，考虑了压缩成型过程中连续和不连续纤维的并发流动，以实现最终零件所需的细观结构。
普渡大学增材制造复合材料制造与仿真中心助理主任爱德华多·巴罗西奥（Eduardo Barocio）说：“我们开始这个项目的目标是在如何使用材料以及在哪里使用材料方面提高效率。”。“这种使用AM预成型件并将其嵌入压缩成型复合材料结构中的混合材料解决方案是以前从未在该项目中实现的颗粒规模上完成过的。AM解决了许多有趣的问题，但目前仍存在局限性。将其与压缩成型等更成熟、特征更明确的制造技术相结合具有巨大的优势，将最终的零件提升到了新的水平。”
销支架CAD。销钉支架几何形状用于演示混合连续和不连续纤维的压缩成型。
混合动力系统设计
最初，9T实验室开发了支架的仿真模型，以指定其操作参数，包括支架几何形状和提供研究设计范围的功能要求。负载情况为拓扑优化研究提供了信息，以确定AM连续纤维增强PEKK预成型件的位置和规格。
预成型件将使用单向（UD）胶带通过高架龙门式AM机器添加到构建板上。巴罗西奥说：“预成型件的叠层过程被模拟并优化为成本模型，确保该项目产生的产品在完成后可以推向市场，而不仅仅是一项昂贵的原型设计任务。”
尺寸图。（A） 客舱行李箱销支架和（b）连续AM复合预制件的俯视图和侧视图。
他继续说道：“零件内的连续纤维由热塑性基质（预浸料）固定在适当的位置，该基质包围并支撑纤维，确保纤维保持正确的方向和位置，从而形成坚固耐用的复合材料零件。”。“由于PEKK在之前的研究中的性能，我们将其确定为首选的热塑性塑料。9T实验室之前已经以胶带形式使用它来生产直升机支架，该支架使用碳纤维增强的PEKK，其预切相当于1-2K的丝束。”
无尺寸零件。将多种纤维架构组合成单个模制部件的混合方法。
9T Labs为销钉支架设计了两个增材制造的连续纤维预成型件，一个用于加固底座，另一个用于加强两个垂直法兰或“耳朵”。使用9T Labs的纤维化设计套件（FDS- Fibrify Design Suite），该团队确定了纤维叠层并生成了预成型件的代码。设计套件规定了所需数量的具有相同PEKK基质材料的连续纤维狭缝带和短纤维长丝，以及为构建模块创建的代码说明。
理想化的重塑。通过压缩成型工艺对理想的连续纤维预制棒进行整形。
威廉明解释说：“构建模块是一种开放式材料、高温工业AM机器，它使用UD预浸带制造零件，并在加热室内使用基于龙门架的头逐层放置材料。”。“1毫米宽狭缝UD预浸料热塑性胶带和全向转向的使用是构建模块独有的，加热材料沉积确保了连续一致的操作。这些特性在以下熔融过程中也得到了保证。沉积系统的无限旋转允许连续纤维束沿所需轨迹定位。底座的有意旋转确保了更好的纤维控制，并通过有意摩擦提高了角落区域的打印质量。”
9T Labs设计了预成型件，通过连续和不连续纤维之间的并发流动来加强耳朵，使其符合耳朵的轮廓，并支撑耳朵和支架底座之间的交叉点。底座预成型件的设计使负载能够部分流入耳朵，提供了一个3D连续的纤维路径，将底座的安装面与耳朵的安装面连接起来。
构建模块和融合模块。9T Labs红色系列构建和融合模块用于生产混合CF/PEKK引脚支架。
每个预成型件由12层1毫米宽的UD碳纤维增强PEKK热塑性胶带制成，并在0.2毫米层的单平面构建方向上构建。这种单层连续纤维螺旋环最大限度地提高了强度，并最大限度地缩短了制造时间。
喷嘴温度为390°C，床温为180°C，构建时间快，在单个350×270毫米的可拆卸构建板上生产多个批次。每个预成型件的纤维刀具路径产生三个轮廓，最终壁厚为3毫米。基础预成型件包含12米长的1毫米宽的胶带，不需要后处理，可以直接放入模具中。耳朵预成型件在预定位置包含8米长的1毫米宽的胶带切割后处理。连续纤维预制件占总零件体积的17%。
工程预制件。法兰（a）和耳（b）的工程连续纤维预制件
AM增强压缩成型
AM后，预成型零件被运送到聚变模块。Fusion Module是一种压缩成型机，可将预成型件固结并根据需要对其进行整形，以便在最终零件中固结。
成型工具。用于制造销钉支架的压缩成型工具。
巴罗西奥解释说：“压缩成型是复杂的，涉及多种各向异性现象，包括流动特性、热弹性和结晶收缩、粘弹性、传热以及聚合物结晶和熔融动力学。”。“添加连续纤维增强预成型件为制造具有复杂几何形状的结构优化压缩成型零件提供了机会。然而，根据材料、机器和工艺参数，实现所需的机械性能带来了挑战。预成型件的初始取向、不连续纤维片和制造过程中的各向异性流动有助于最终零件的结构。”
压缩成型工具由H13钢制成，具有插入件，用于模制销钉的孔和支架底部的孔。热电偶在制造过程中很好地记录了温度。销支架的制造始于将预成型件安装到压缩成型工具中，预成型件将加强销支架耳。接下来，安装三个工具块，并将基座预成型件放置在工具腔中。
销支架制造。制造销钉支架的步骤包括（从左到右）放置用于耳部加固的连续纤维预成型件（a），将预成型件放置在销钉支架的底部（b），以及在安装预成型件后填充血小板的工具腔（c）。
销钉用于定位销钉支架底部的安装孔，并在制造过程中限制连续光纤预成型件的移动。预成型件在销钉预成型周围进行整形，以隔离它们在最终零件中的位置。预成型件的这种整形通过将连续纤维与销钉传递到支架中的施加载荷对齐来提高承载能力。
巴罗西奥强调：“随着压缩成型工艺的发展，法兰中的销钉用于锚定连续的纤维性能，从而为底座和耳朵之间的载荷传递产生连续的纤维路径。”。“尽管我们在单个平面上添加了连续纤维预成型件的制造，但我们通过将它们放置在模具中的不同平面上，并通过预成型件材料流入模具驱动的整形，在销钉支架内实现了3D承载能力。这意味着该零件以尽可能少的浪费最大限度地利用了预成型件，因为它们被精确地定位在结构中所需的位置。”
碳纤维增强PEKK用于片状增强聚合物元件，消除了对材料参数的要求，以适应完全固结的兼容性。在准备压缩成型装料后，安装工具的柱塞，并在强制对流炉中将工具组件加热到390°C的加工温度。
设置和应变。用连续纤维加固的销支架（b）在最终失效前后对销支架（a）和载荷方向应变场进行机械测试的设置。
达到加工温度后，工具组件转移到热压机，使成型料流入并固结到工具腔中。当工具冷却到低于聚合物的玻璃化转变温度时，施加124巴的压力。热压压板被预热到220°C，以降低冷却速度，并允许聚合物结晶度的发展。脱模温度为150°C。
巴罗西奥指出：“连续碳纤维增强PEKK销钉支架的设计不仅考虑了零件的结构性能，还考虑了压缩成型过程中形成的流动条件。”。“当我们进入固结阶段时，它将预成型件的最终形状和性能特性结合在一起，就像它在最终产品中的表现一样。”
销钉支架增强件
最终的AM销钉支架重31.5克，预成型件占总重量的17%（5.4克），其余83%（26.6克）的总部件体积为短的不连续压缩成型纤维片。9T Labs制造了六个碳纤维增强PEKK销钉支架，其中包括连续纤维预制件和薄片，以及仅用薄片制造的销钉支架，用于比较测试。配备100千牛顿称重传感器的MTS 810用于进行准静态测试。一个定制的夹具用四个10-32螺钉将销钉支架拉紧，扭矩为40.67牛顿米。以2毫米/分钟的速度进行位移控制程序，直到支架达到最终失效。数字图像相关（DIC-Digital image correlation）用于记录加载过程中销支架耳表面产生的应变场。
荷载-位移曲线。载荷-位移曲线显示了用连续纤维预成型件和片状物制成的销支架（a）与仅用片状物制造的销支架相比（b）。
该公司观察到，在用AM预成型增强（混合）材料系统模制的支架中，线弹性区域更为显著。混合材料在损伤开始时的载荷为15.67千牛顿，比仅含薄片材料增加了99.6%，后者达到了7.67千牛顿。在承载能力单调下降之前，施加在支架上的最大载荷也增加了25%，从仅使用片状材料的14.72千牛顿增加到使用混合材料构造的支架的18.38千牛顿。
使用混合材料时，破坏开始时的载荷方差系数从18.19%降低到9.81%，降低了46%。在最终失效时，混合材料的载荷方差系数提高了14.8%，仅薄片版本的载荷方差比6.01%提高了7.05%。
巴罗西奥强调：“很明显，混合复合材料显著提高了仅由片状材料制成的销支架的机械性能。”。“连续纤维预制件改善了耳和销支架几何形状底部之间的载荷传递，以及纤维的流动和形状/位置，将它们从平面配置转变为3D纤维架构。”
他继续说道：“连续纤维的整形——由压缩成型过程中连续和不连续纤维系统的并发流动驱动——按需进行，增强了销支架的强度特性，但也降低了其可变性。”。“这些改进对这类材料的允许设计和实施产生了积极的影响。”
销支架透视图。销支架的混合材料版本在各个方面都优于纯薄片版本，包括损伤开始时的载荷提高了99.6%，承载能力提高了25%，失效开始时的荷载方差系数降低了46%。
9T Labs和普渡大学在该项目中生产的混合材料和工艺技术为优化纤维增强热塑性塑料在具有复杂几何形状的结构部件中的使用提供了巨大的潜力。然而，巴罗西奥说，“需要基于物理的过程模拟，包括连续和不连续纤维的并发流动等现象。同样，进一步理解和优化连续和不间断纤维系统之间的界面将有利于这项技术。最后，预测性模拟框架对于同时进行制造和性能设计至关重要，从而释放这项技术的全部潜力。”
