3D 打印:从自行车开始

来源:荣格国际复材技术商情

发布时间:2019年3月24日下午 08:03:16

总部位于硅谷的 AREVO 公司开发了一种技术,可以直接对复合材料零部件进行数字化增材制造。该公司设计和生产的一款全地形城市自行车让人兴奋不已——这是世界上第一款使用 3D 打印碳纤维框架的自行车。这辆自行车是 AREVO 公司 3D 打印技术的第一个应用,它利用了热塑复合长丝和 Hexcel 的连续碳纤维,以及专有的Pathfinder 软件和机器人技术。据该公司介绍,这种热塑性长丝的强度是钛的五倍,重量是钛的三分之一。该公司仅用两个原型就完成了自行车框架。
 
 
AREVO 的技术旨在通过在设计早期集成软件来减少对物理原型的需求,从而实现更高效、更便宜的制造过程。该公司表示,该软件允许设计师在开始实际制造之前开发产品的数字原型,这一过程比传统的 3D 制造更高效、更可持续。
 
“当你和自行车骑手交谈时,自行车的感觉——即自行车的硬度或柔软度——以及它在负载下能弯曲多少是至关重要的。我们能够在 Pathfinder 软件中模拟所需的骑行质量。”AREVO 首席执行官 Jim Miller 说,“该软件预测了打印过程开始前的行为和性能。”他表示,Arevo 并不是自行车制造商,但是,想通过这一方式来展示该公司的软件和技术是如何运作的。
 
Pathfinder 能够根据拉伸强度、压缩、弯曲、剪切、抗冲击和残余应力 ( 翘曲 ) 的性能参数进行重复设计。它决定了碳纤维丝需要放在哪里,以获得所需的强度,而不是过度设计自行车框架。内置专利的加法有限元分析 (A- fea) 算法有助于确保设计符合性能规范。如果设计遗漏了一个参数,软件就会添加或删除虚拟材料,反复进行设计,直到达到规格,同时尽量减少使用昂贵的材料。
 
虽然软件不会选择材料,但是它可以根据材料的组合来比较零件的性能。Miller 说 :“我们可以给 Pathfinder 编程,将 50/50 PEEK 和碳纤维丝束的性能与铝材或钛材的相同部件进行比较,这将表明两者之间的取舍。”
 
在任何的设计环境中,部件的更改是无法避免的,在这种情况下,具有快速更新和测试设计的能力成为一种优势。在 AREVO 生产出第一辆 3D 自行车后,德国公司OECHSLER 接洽了该公司,希望将其三速自动变速器与AREVO 的 3D 打印碳纤维框架相结合用于电动自行车。公司花了一个月的时间,从概念车到生产,包括两个星期的设计和一个星期的打印。
 
大多数传统的 3D 打印机使用的是逐层打印叠加的方式来最终完成产品制造,不过 AREVO 提供了一种不同的、自由成型的制造方法。机器人臂定位并移动打印头,然后引导细丝沉积以产生自行车车架的 3D 形状。该公司称,碳纤维材料可以无数个方向放置。
 
AREVO 的全自动化工艺使得更大零件的生产更加方便,使 48 英寸长、36 英寸高、2.5 英寸厚的自行车车架成为 3D技术的首次理想应用。公司表示,碳纤维长丝的直接能量沉积使其在制造过程中排空率不到 1%。Miller 指出:“我们可以打印出超出初级飞行结构航空航天等级要求的大型结构。”这意味着 3D 打印不再是小打小闹国,它可以用来代替国防公司、飞机、战斗机、电子产品等的金属部件。
 
采用广泛使用的数控编程语言标准 G 代码,将零件设计从 Pathfinder 软件传输到生产单元。制造单元由 ABB Robotics公司的7轴机器人和平台、一个带有专有热管理设备(激光器)的沉积打印头、一个切割夹具、定制电子设备和用于现场检测的视觉系统组成。AREVO 自行设计和制造了沉积打印头。
 
对于大多数 3D 打印机来说,操作人员将液体材料放置在固体层上。“而我们就在打印头的后面通过激光加热PEEK 热塑性塑料,因此我们是将熔化的 PEEK 连接到熔化的 PEEK 中,从而在零件内层获得巨大的粘合强度。”Miller表示。“激光使我们能够迅速地施加大量热量并沉积大量物质。另一方面,我们必须精确控制激光,以避免烧坏细丝或降低碳纤维的结构完整性。”通过学习,机器教会了打印头通过视觉检查系统看到在哪里产生了多少热量。视觉系统监控高度、宽度和长度。实时检测视觉特性,使 AREVO 能够测量微米内的每一层,并通过软件自动调整。操作人员只需按下按钮。
 
在自行车的世界之外,AREVO 的合作伙伴对通过将CFRP 与 3D 打印相结合来制造经济上可行的大型热塑性复合部件的能力感到兴奋。Miller 总结道:“我们就市场应用进行了讨论,包括商用运载火箭、建筑设备、汽车零部件和油气设备。”

Tell A Friend

评论

Image CAPTCHA