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Markforged用于航空航天最終結構件的3D打印連續(xù)纖維復合材料：不是金屬，勝過金屬
發(fā)布時間：2023-05-11
增材制造（AM）為現(xiàn)代制造商提供了一種最簡單的生產(chǎn)方式，利用復合材料制造終端零件，縮短交貨周期，加快原型工具生產(chǎn)時間。使用高性能熱塑性塑料打印的零件，可滿足飛機內飾許多部件的火焰、煙霧和毒性(FST)要求，配合Markforged專有的連續(xù)纖維增強打印技術，可生產(chǎn)高強度，耐熱，以及更高物理性能的零件。
本篇文章帶您詳細了解，復合材料3D打印技術在航空航天制造中的應用。
行業(yè)需求
在一個受到嚴格監(jiān)管的行業(yè)中競爭，OEM、MRO服務提供商、商業(yè)航空公司和其他行業(yè)玩家必須優(yōu)先考慮安全和性能，并且嚴格遵守監(jiān)管指導方針，不斷發(fā)現(xiàn)提高業(yè)務效率的方法。隨著時間的推移，傳統(tǒng)上由鋁合金制成的飛機部件越來越多地被復合材料取代，比如碳纖維。現(xiàn)在，波音787飛機的復合材料重量占50%，體積占80%。
■ 材料特性
在高強度和低重量的基礎上，航空航天應用的材料必須具有耐腐蝕性，并能夠可持續(xù)地承受大范圍的工作溫度。航空航天材料如Onyx FR-A、碳纖維FR-A和ULTEM?9085（可在FX20上打?。┛梢猿惺艽蠖鄶?shù)航空航天應用中的工作溫度。
■ 遵守法規(guī)
航空航天工業(yè)受到嚴格監(jiān)管，所有飛機部件和材料必須得到批準來自相關監(jiān)管機構的認證，比如聯(lián)邦政府航空管理局(FAA)或歐洲航空局、安全局(EASA)。航空航天制造商必須證明他們的部件和材料符合聯(lián)邦航空局的一系列綜合要求測試標準，如強度、耐久性、紫外線、流體靈敏度、振動、可追溯性和火焰、煙霧以及毒性(FST)。通過選擇符合測試要求的材料，航空航天制造商才可以進行下一步操作。否則，制造商將不得不重復漫長的資格認證，重新回到起點。
■ 強大的產(chǎn)品性能
更大的打印尺寸使航空航天制造商能夠將多個小部件組裝成單個部件，減少裝配次數(shù)、零件計數(shù)，更大的減少誤差。Markforged的大尺寸連續(xù)碳纖維復合3D打印機FX20，其構建尺寸為525x400x400mm，設備可打印用于最終用途應用的部件。
為什么航空航天使用增材制造？
隨著3D打印部件作為飛機部件飛行，必須最大限度地減少部件的重量，這可以提高燃油效率，同時最大限度地減少二氧化碳排放。比如，用更輕、強度相同的復合材料取代飛機和直升機中的鋁制模型，可以很容易地將每個交換部件的總重量降低幾磅量級。然而，低重量不能以犧牲部件強度或材料性能為代價，每個制造部件必須滿足嚴格的安全和可靠性要求。3D打印碳纖維增強部件，可以生產(chǎn)出與6061-T6鋁強度相同的部件，同時與具有同等強度的金屬部件相比，可以顯著減輕重量。在高強度和低重量的基礎上，用于航空航天應用的材料必須耐腐蝕，并能夠持續(xù)承受大范圍的工作溫度。適用于航空航天的材料，如OnyxFR-A、碳纖維FR-A和ULTEM? 9085等。
同時，相比于傳統(tǒng)制造技術，AM帶來了更高的成本效率、交貨時間短、更快優(yōu)化設計，讓用戶可以在需要時在需要的位置快速打印正確的零件，提供分布式制造操作。
小批量生產(chǎn)
增材制造非常適合滿足航空航天領域對小批量、定制化零件的生產(chǎn)需求，讓這些零件在需要的時候，以優(yōu)越的價格，利用3D打印技術將他們按需生產(chǎn)出來。
減少快速原型制作和生產(chǎn)時間
借助支持云的分布式制造模式，可以在需要時在需要的位置快速打印正確的零件，而不是將零件生產(chǎn)好之后，再通過物流運輸。借助3D打印軟件，存儲在基于云的數(shù)字庫存中，這樣零件就可以發(fā)送到網(wǎng)絡內的任何3D打印機上打印，只需一個CAD文件，制造商就可以在內部完成零件的制作，使他們的供應鏈比以前更緊密、更高效。這種能力也可以避免制造商囤積大量庫存，實現(xiàn)準時制 (JIT) 的精益制造模式進行有效運營生產(chǎn)。
解決供應鏈中斷問題
當供應鏈中斷導致制造所需的工具和零部件短缺時，生產(chǎn)可能會停滯數(shù)周時間。一個零件的丟失可能會導致制造過程完全停止，無論購買新零件需要多長時間。使用AM技術可以幫助他們控制其供應鏈，降低制造風險和復雜性。通過引入3D打印平臺，可以讓制造企業(yè)繞過許多風險，同時還可以使他們的供應鏈比以前更緊密、更高效，加快交付時間和研發(fā)速度。
設計復雜性
使用AM技術，可以輕松設計結構復雜模型，優(yōu)化最終使用部件的強度，減少重量和材料成本。在傳統(tǒng)制造過程中，這些都不具備成本效益，很難實現(xiàn)。AM可以通過編程方式實現(xiàn)可以減輕重量和最小材料消耗的能力，同時保持強度和機械性能。
快速生產(chǎn)
對于許多老化的飛機，隨著時間的推移，原始零件可能已經(jīng)沒有了，或者已經(jīng)沒有任何可用性。通過使用AM技術，可以讓我們在需要時快速、低成本地定制各種新零部件。
成本效益
與傳統(tǒng)制造方法相比，AM可以在以下幾個方面節(jié)省資金：
①通過減輕重量，讓飛機使用更少的燃料，同時也降低了基于重量的維護費用；
②通過取代對物流的依賴，利用3D打印機可以讓我們在需要的地方進行現(xiàn)場打印，無需運輸，節(jié)省資金，同時這也使得小批量打印更加經(jīng)濟。
此外，AM與傳統(tǒng)的減材制造相比，材料消耗會大大降低，由于航空航天工業(yè)依賴于使用高性能材料制造零件，這些成本可以產(chǎn)生實質性的差異。
增材制造在航空航天領域應用
AM技術是20世紀80年代中期發(fā)展起來的高新技術，航空航天和國防(A&D)是最早應用3D打印技術的行業(yè)。在未來幾年AM通過不斷的發(fā)展，可更多的用于航空航天零件原型生產(chǎn)、客艙內部組件生產(chǎn)及最終用途部件制造。
原型制作
臨時整流罩（Onyx FR）。這個整流罩為一個永久的飛機整流罩的替代產(chǎn)品臨時制造的，通常這個需要用金屬制成，但加工金屬整流罩交貨時間大約為4個月。因為制造商需要在整流罩周圍建造大量的飛行甲板，快速打印這一臨時部件，是一個有效的占位，防止項目進展暫停。當金屬整流罩到達時，它很容易更換，使用臨時原型部件可以幫助飛機制造商有效地滿足項目周期，不會導致不必要的延遲。
功能門硬件原型（Onyx）。這個零件最初的原型是用金屬加工出來的，這一生產(chǎn)過程必須由專業(yè)的機械師操作，成本高、周期長。利用3D打印技術制造這個原型部件，使機械師能夠有時間專注于生產(chǎn)最終零件，交貨時間短、成本低，無需熟練的勞動力。同時，3D打印的速度和可重復性允許用戶快速可靠地實現(xiàn)從原型到最終部件的迭代，具有較低的誤差幅度，提高效率并加速設計周期，避免裝配問題。
工裝夾具
轉子檢查表（Onyx）。檢具用于檢驗所制造零件的質量，檢具的價格昂貴，在生產(chǎn)過程中，除了高成本之外，較長的交貨時間也會導致工廠停工，會拖延零件質量檢測時間。3D打印檢測儀表可以緩解這些問題，因為制造成本、交貨時間和生產(chǎn)勞動力是最小的。對于結構復雜部件，3D打印也能輕松制造，無需額外成本。
焊接夾具（Onyx）。剛開始，這種焊接夾具是由金屬板焊接而成。最初的焊接夾具限制了設計自由度。通常，焊縫的形狀必須圍繞夾具的幾何形狀進行設計，從而產(chǎn)生了不必要的限制。這種3D打印焊接夾具提供了更靈活的設計自由度，可以根據(jù)需要靈活設計焊縫，以快速、低成本地定制各種焊接夾具。
軟爪(連續(xù)碳纖維)。這對軟爪用于銑床上的工件夾持。通常是由金屬加工而成的，這是因為零件必須能夠可靠地承受銑床上的強度。3D打印軟爪，如上圖所示，可定制零件幾何形狀，增加設計自由度。在打印中使用連續(xù)的碳纖維材料，可以加強零件的強度、剛性，減輕零件重量，使零件足夠耐用，以在銑削操作期間牢固地保持在適當?shù)奈恢谩?/p>
最終用途部件
螺母板(Onyx FR，碳纖維）。在制造飛機的過程中，螺母板非常常見，因此，在拆卸飛機部件時，經(jīng)常會發(fā)生螺母板丟失的情況，讓采購還需重新下單購買，延誤生產(chǎn)周期。使用3D打印制造螺母板生產(chǎn)過程簡單、快速，只需十分鐘就可以將模型打印出來，而且成本僅需1美元。
鍍金邊框(Onyx FR，碳纖維）。這些邊框是飛行娛樂改裝套件的一部分，還有屏幕安裝支架和控制單元的外殼。Markforged 3D打印機的高質量表面光潔度可以輕松打印這些具有特定美學需求的裝飾性部件，周期短，成本低，可以輕松滿足客戶對外觀要求。
此外，Onyx FR是經(jīng)過認證的UL94 V-0級阻燃材料，并且Onyx FR打印的零件強度高、重量輕，并具有阻燃性，可在每種應用中快速達到FAA的合規(guī)性。
水杯架（Onyx FR，碳纖維）。這個水杯架是為特殊任務直升機定制而成，可容納1L水瓶，讓飛行員在長時間飛行過程中不會為喝水而擔憂。增強的碳纖維賦予了水杯架的強度和剛度，使水瓶在經(jīng)受反復的高負荷力時還能固定在此位置，這樣飛行員就不必擔心水瓶在飛行中松動。在3D打印之前，將杯架放到不同類型的機身上也是一種挑戰(zhàn)，因為每個機身沒有標準化結構，無法生產(chǎn)成統(tǒng)一形狀，因此加工時間無法保證，有時候為了適應特定的機身，模型需要重新設計。當利用3D打印制造時，無論結構多復雜，都可以快速、低成本地制造各種幾何形狀部件，以適合獨特的機身。
隨著復合3D打印在航空航天領域的不斷應用，該領域的技術不斷發(fā)展，如實現(xiàn)更大的打印尺寸、精度、表面光潔度，更容易的操作界面以及高性能熱塑性塑料的結合，開辟了新的商業(yè)案例和應用。
FX20廣闊的應用前景
FX20是Markforged的新旗艦3D打印機，這臺機器將Digital Forge平臺和連續(xù)纖維增強（CFR）技術結合，開辟了航空航天工業(yè)零件和應用的新領域。FX20比Markforged的任何3D打印機都更大、更快、更智能，無論您的需求是原型部件還是最終部件，F(xiàn)X20已準備好突破我們所知的增材制造的界限。
● 更快
FX20成型尺寸比任何其他設備都大近5倍，以驚人的速度制造更大的零件。其全新的運動擠出系統(tǒng)可以在不降低質量的條件下進行快速打印。
● 從工廠到飛機
FX20將Digital Forge帶來的變革性優(yōu)點延伸至新的應用和行業(yè)。它旨在生產(chǎn)從高性能工裝夾具到飛機最終零部件及配件的所有產(chǎn)品。Markforged用戶首次可以采用連續(xù)纖維增強技術以增強ULTEM? 9085線材零件，將高強度3D打印復合材料引入到更高要求的應用中。
● 為生產(chǎn)而準備的強大性能
FX20是一款精密的傳感器驅動的設備，可以帶給用戶具有突破性的可靠而簡單的體驗。完全集成的存儲和處理確保材料在打印時保持干燥，同時傳感器測量擠出系統(tǒng)的每個部分。機架和打印臺上的線性編碼器提供精確、實時的機器位置反饋，從而生產(chǎn)高精度的零件。
FX20利用連續(xù)碳纖維強化了航空航天使用聚合物模型，為世界各地的工程師帶來了更堅固的高溫熱塑性部件。
THE END
復合3D打印技術的進步使得航空航天制造商很容易獲得更多的好處。FX20可以用滿足航空航天應用需求的材料制造CFR增強零件，為飛機上飛行設計堅固、輕質的AM材料使FAA/EASA易于遵守批次級別的可追溯性。對附加制造的復合材料的需求預計在未來幾年將會增加，隨著航空航天制造商內部AM知識和經(jīng)驗的增長，預計公司將看到更多使用AM來生產(chǎn)飛機部件。AM前進可能會有助于對附加制造零部件的進一步需求，特別是航空航天行業(yè)。
Markforged（紐約證券交易所代碼： MKFG）正在重新設想人類如何通過領導一場技術驅動的制造業(yè)轉型，為世界各地的制造商提供解決方案。Markforged的Digital Forge平臺以提供穩(wěn)定的高質量的工業(yè)水準生產(chǎn)能力從而規(guī)避現(xiàn)有供應鏈以外的不便，讓世界各地的工程師、設計師和制造專業(yè)人員依靠Markforged的3D打印機實現(xiàn)工裝夾具、功能原型和高價值的最終用途零件生產(chǎn)。
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華融普瑞(北京)科技有限公司作為Markforged在中國的授權增值經(jīng)銷商提供3D打印全流程、全價值鏈解決方案，涵蓋面向3D打印的拓撲優(yōu)化、3D打印服務、材料定制、設備定制和3D打印設備研發(fā)等核心環(huán)節(jié)。公司助力眾多用戶重新定義產(chǎn)品，重塑產(chǎn)品生命周期價值鏈，用戶行業(yè)覆蓋汽車、航空航天、醫(yī)療、消費品和教育等眾多領域。通過創(chuàng)新型的自主研發(fā)和3D打印應用服務為客戶創(chuàng)造價值。
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