連續(xù)纖維增強(qiáng) (CFR) 是Markforged推出的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)和獨(dú)特工藝，它正在快速推動(dòng)現(xiàn)代制造商對(duì)碳纖維3D打印的采用。

本文將深入探討如何通過(guò)功能性3D打印零件來(lái)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型。我們將審視CFR工藝相對(duì)于傳統(tǒng)制造工藝所具有的優(yōu)勢(shì)，將這些優(yōu)勢(shì)與制造應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)，并研究現(xiàn)代制造商如何利用CFR的優(yōu)勢(shì)。

CFR是一種使3D打印機(jī)可以用連續(xù)纖維來(lái)強(qiáng)化熔絲加工 (FFF) 零件的工藝。具有CFR功能的設(shè)備使用雙擠出系統(tǒng)：一個(gè)用于傳統(tǒng)的FFF線材，另一個(gè)用于長(zhǎng)股的連續(xù)纖維，逐層鋪設(shè)連續(xù)纖維，替代FFF填充物。由此制作出的零件會(huì)顯著提升強(qiáng)度(最高可達(dá)任何FFF材料的10倍)，并可替代應(yīng)用中的鋁制零件。

▲ 以更低成本制造出復(fù)雜的3D幾何體

得益于能夠自動(dòng)生成機(jī)器指令的切片和打印工藝，3D打印機(jī)善于制造復(fù)雜的幾何體。在減材機(jī)器中，復(fù)雜度和成本之間呈指數(shù)關(guān)系：復(fù)雜的2D幾何體需要2軸或3軸CNC銑床，而3D幾何體則需要3至5軸CNC銑床。這些機(jī)器的編程和操作費(fèi)用很高，這使得傳統(tǒng)的制造設(shè)計(jì) (DFM) 指南推崇使用復(fù)雜度較低的零件。如果零件是復(fù)雜的3D幾何體并且需要很高的強(qiáng)度，只有CFR能夠?qū)崿F(xiàn)金屬級(jí)強(qiáng)度。

▲ 高度可定制

CAD至零件的簡(jiǎn)單流程使CFR用戶能夠快速地更改設(shè)計(jì)來(lái)解決具體問(wèn)題。在傳統(tǒng)制造中，制造商面臨的挑戰(zhàn)是必須在低成本、通用型解決方案和非常昂貴的一次性零件之間作出選擇。少量改變通常就會(huì)導(dǎo)致成本大幅上升，幸運(yùn)的是，CFR 3D打印使用戶能夠輕松制造定制的一次性零件。

▲ 針對(duì)功能性零件的門(mén)檻低

許多3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了可定制性和復(fù)雜零件的低成本，CFR的與眾不同之處在于，針對(duì)功能性零件它也能實(shí)現(xiàn)上述特點(diǎn)。與FFF 3D打印零件相比，CFR制造的零件具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)和特性，其中包括：

由于CFR 3D打印機(jī)能夠制造功能性零件，這種打印機(jī)在以下幾個(gè)關(guān)鍵方面使生產(chǎn)手段更符合工程師的要求：

前面我們了解CFR的部分優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)在整個(gè)制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用兼容性，下面我們來(lái)看一些CFR應(yīng)用：

現(xiàn)代制造商可以利用CFR零件的自由幾何復(fù)雜性和高功能性，輕松地制造出可以在任何方向容納復(fù)雜零件的夾具。

保形工具和夾具可以與CNC機(jī)床協(xié)同工作，例如，可以制造保形工具以使CNC機(jī)床能夠執(zhí)行原本無(wú)法完成的操作。此外，保形夾具所開(kāi)創(chuàng)的新制造工作流程更經(jīng)濟(jì)、更簡(jiǎn)單且更省時(shí)。這樣才能夠生產(chǎn)更復(fù)雜的零件，而原本用制造工具生產(chǎn)這些零件的成本太高了。

此外，保形工具的性能通常高于標(biāo)準(zhǔn)工具的性能，這是因?yàn)樗鼈兣c待夾持工件之間的表面接觸更全面。它們要比所替代的零件更輕、更硬且更堅(jiān)固。由于3D打印的成本較低，因此制造商可以為他們的零件制造各種各樣的定制保形工具。

保形工具案例：

● 軟鉗口

用于在銑削、鉆孔、切割或通過(guò)其他方式加工工件時(shí)夾持工件的保形工具。

● 末端工具 (EOAT)

組裝接觸面零件或末端執(zhí)行器，例如機(jī)械臂上的定制夾具手指。

末端工具 (EOAT)

● 成型工具

CFR零件可以按定制幾何形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)和打印，從而制作鋼和鋁質(zhì)的鈑金零件。連續(xù)纖維使這些零件具有高強(qiáng)度和耐用性，從而可以精確地操作數(shù)千次循環(huán)。

成型工具

● 專(zhuān)用測(cè)型儀(又稱(chēng)檢查儀表)

定制打印零件，旨在與制造的零件或裝配件對(duì)接以快速確定它是否符合規(guī)格。

● CMM檢查夾具

使用定制CMM夾具可以加快復(fù)雜零件的CMM設(shè)置并提高其可重復(fù)性。

CFR制造已廣為普及，企業(yè)可使用此技術(shù)來(lái)打印過(guò)去通常難以制造的零件，這些零件可以提高效率，連接或集成其他零件或者幫助完成手動(dòng)任務(wù)。此外，CFR零件可以針對(duì)不同的制造操作進(jìn)行高度定制，并定期進(jìn)行迭代以融合反饋。

● 裝配夾具和底板

產(chǎn)品裝配通常是一項(xiàng)高度依賴(lài)手動(dòng)的任務(wù)，在此過(guò)程中，人體工程學(xué)方面的些許改進(jìn)可以促使效率大幅提高。利用CFR 3D打印，企業(yè)能夠設(shè)計(jì)和制造這樣的零件：它們能夠提高勞動(dòng)力的工作效率，并減少重復(fù)性勞損 (RSI)。

裝配夾具和底板

● 用于制造單元的零件

一旦有能力按需制造功能性零件，制造商便能快速構(gòu)思、設(shè)計(jì)和實(shí)施用于制造單元和工廠的零件。無(wú)論這些零件是支架、傳感器基架、導(dǎo)軌還是其他零件，都能減少與CNC制造零件相關(guān)的交貨時(shí)間、成本和人力。

● 工作輔助

CFR 3D打印零件可將耗時(shí)的手動(dòng)任務(wù)變成簡(jiǎn)單任務(wù)。對(duì)于一些公司來(lái)說(shuō)，內(nèi)部加工可能需要8-12周的時(shí)間，但有了CFR之后，時(shí)間可以縮短到幾天。

CFR降低了制造功能性零件的門(mén)檻，這使現(xiàn)代制造商能夠更輕松地迭代和生產(chǎn)以低成本提供更多價(jià)值的零件。

● 原型件

原型件是3D打印機(jī)的最常見(jiàn)用例，借助CFR，用戶可以大幅提高原型件生產(chǎn)能力。利用功能性原型件，可以及早進(jìn)行測(cè)試并獲得更多信息，從而形成您的最終零件設(shè)計(jì)。

● 橋接工具

與原型件一樣，工具在被鎖定之前通常需要進(jìn)行多次迭代和大量工作。CFR 3D打印的早期工具可以生產(chǎn)出初步零件，從而為制造商提供有價(jià)值的信息，幫助他們了解在大規(guī)模生產(chǎn)之前其制造過(guò)程的工作方式。

許多關(guān)鍵零件不再得到原始制造商的支持，或者由于供應(yīng)鏈限制而需要太長(zhǎng)時(shí)間才能獲得。制造商的另一個(gè)痛點(diǎn)是處理那些易碎且不符合所需標(biāo)準(zhǔn)的零件。CFR 3D打印提供了必要的技術(shù)手段和敏捷性，能夠快速輕松地制造各種幾何形狀的功能性備用零件，要么作為備用件，要么作為對(duì)原始零件的改進(jìn)。備用零件不限于單個(gè)應(yīng)用，它們可以采用工具、夾具或最終用途零件的形式，延長(zhǎng)設(shè)備的壽命，并實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)。

無(wú)人機(jī)原型機(jī)

根據(jù)定義，功能性是指零件滿足其設(shè)計(jì)意圖的能力。以下每項(xiàng)要求均是3D打印零件的常見(jiàn)功能性要求。我們已定義每項(xiàng)要求，包括短纖維填充聚合物和CFR如何滿足要求，并重點(diǎn)介紹了哪種技術(shù)會(huì)產(chǎn)生更大的影響。Markforged零件采用了這兩種技術(shù)， 并用連續(xù)纖維強(qiáng)化了短碳纖維填充的聚合物。

下面突出顯示了每個(gè)功能性要求的主要驅(qū)動(dòng)因素：

“功能性”不是制造領(lǐng)域的單一術(shù)語(yǔ)，不同的應(yīng)用對(duì)功能性有不同的要求。下面，我們將3D打印需要滿足的功能性要求與各種常見(jiàn)應(yīng)用對(duì)應(yīng)起來(lái)。我們將功能性要求分為關(guān)鍵和推薦，其中“關(guān)鍵”是指應(yīng)用中幾乎所有零件都有的要求，“推薦”是指不那么重要或不太通用的要求。請(qǐng)務(wù)必注意，即使在具體的應(yīng)用中，功能性要求也有各種各樣的內(nèi)容，這一點(diǎn)應(yīng)作為普遍規(guī)則。

Markforged是第一家生產(chǎn)能夠使用連續(xù)纖維強(qiáng)化零件的3D打印機(jī)公司，這將使復(fù)合材料零件具有高強(qiáng)度，足以取代機(jī)加工金屬。如前所述，CFR的優(yōu)勢(shì)和好處挖掘出了各種應(yīng)用的潛力，這些應(yīng)用已幫助現(xiàn)代制造商實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型。

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