前沿 | 新技术助力大型复合材料增减材制造
来自：泊森 航空制造网 江苏激光联盟陈长军转载
在今年9月美国3D打印制造展览会（Rapid and TCT）和10月复合材料及先进材料展览会（CAMX）上，Thermwood公司展示了其大型增减材制造设备LSAM（图1），并在现场成功打印出可用于航空航天复合材料成型的工装模具，向公众展示了其低成本快速响应复材制造的能力。
图1 LSAM 510在3D打印制造展览会上进行展示（图片来源：本文所有图片均来自Thermwood公司网站）
一、LSAM设备及关键技术
LSAM是大型热塑性复合材料增减材制造设备，其标准型号配有固定的工作台以及可移动龙门架（图2），在龙门架上安装有挤出式3D打印头和传统铣削头，使零件在同一设备上即可完成增减材制造，避免重新固定零件造成的误差。
图2 LSAM 1540设备具有双龙门结构（工作台尺寸15英尺×40英尺）
LSAM使用两步法的“近净成形（near net-shape）”生产工艺。首先，逐层打印出比最终尺寸稍大的零件，然后进行精加工将零件修整成最终尺寸和形状。若采用双龙门结构，可以在工作台的两端同时进行一个零件3D打印和另一个零件的铣削加工（图3），从而进一步提高效率。
图3 LSAM 对两个零件分别进行3D打印和铣削加工
LSAM的关键技术包括以下几方面：一是先进的打印系统设计。其打印头挤出机（图4）的大部分热量来自加热的机筒而不是螺杆旋转与打印材料产生的摩擦，与传统设计相比加热更为均匀且不需要更换螺杆来加工不同的复合材料；打印头使用特殊合金可支持高达450°C的加工温度；聚合物熔体泵由伺服驱动控制流量，形成均匀输出；其独特设计的压轮（图5）可实现打印层间无空隙，零件底部打印到特制粘板上（图6），可消除冷却应力和零件翘曲；二是强大的温度控制。LSAM集成了一个温控系统（图7），当加载打印材料文件时，该材料的区域温度和压力限制等参数都会自动设置，该系统可实现实时温度测量与控制，与挤出机和熔体泵同步，自动完成进给速度的调整；三是适用于大型零件增材制造的工艺软件。具有拐角回拉补偿等功能，可实现复杂零件编程并根据LSAM设备的打印特性进行自动调整。
图4 挤出机螺杆
图5 温控压轮图
图6 特制粘板
图7 集成温度控制
二、波音验证LSAM可行性
据Compositesworld网站2021年10月18日报道，波音研究与技术实验室与Thermwood公司合作完成了一项由美国海军资助的项目，内容为应用大幅面增材制造工艺试制可适用于热压罐工艺的复合材料工装（图8），验证其作为低成本、快速制造方式替代传统工装制造方法的可行性。制造过程中LSAM使用277kg的热塑性树脂材料，用时7小时26分钟完成打印，并更换铣削头在53小时内完成最终加工，工装尺寸和表面质量达到了设计要求。经过多次热压罐工艺循环试验，工装的真空保持性、尺寸稳定性以及高温耐久性均可满足要求。该项目证明了LSAM设备在单一平台上进行增减材制造用于复合材料工装的能力，与传统制造方法相比，可节省约50%的成本，并将制造周期缩短65%。
图8 LSAM设备打印可适用于热压罐工艺的复合材料工装
此外，根据此前Compositesworld网站的相关报道，Thermwood公司也曾与波音合作，利用垂直层打印（VLP）专利技术成功打印出一个3.6米长的波音777x的修整工装（图9），增减材制造总耗时约43小时，验证了LSAM设备的大尺寸低成本快速制造能力。
图9 波音777x的修整工装
结语
LSAM设备凭借其3D打印的专利技术以及增减材一体的设计思路，提供了在一台设备上完成零件3D打印与精铣的能力，具有低成本和短周期的制造优势。Thermwood公司LSAM设备已被用来生产航空航天复合材料固化模具，表明目前国外增材制造大型复材部件已达到工业应用水平，值得关注借鉴。
参考资料：
1.Thermwood官网LSAM设备信息。
2.Compositesworld网站报道文章“Collaborative Boeing-ledproject validates large-scale composite AM tooling”、“Boeing partners withThermwood on 3D printed tool for 777X”。
（作者：泊森，技术发展中心）
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