3D打印复合材料能否替代金属零件？

随着3D打印材料的进步，它们的应用也在进步。几年前，以聚合物或复合材料3D打印部件代替金属部件听起来简直是天方夜谭。因为那个时候，3D打印品是由薄弱的材料和脆弱的结构制成，仅适合用作可以外观的原型。但现时已经不同了，几乎每种类型的3D打印机都可以打印更坚固的材料，这引发了制造业的一场“小革命”。如今，人们正在考虑将打印出来的零件用于实际机械运作上，而不只是限于过去的外观原型设计上。

3D打印机的技术已逐渐得到改进，使打印出来的成品质素大大提高，这是能满足传统制造零件强度重要的一环。随着3D打印技术愈趋成熟，全球企业现正探索将3D打印技术套用于机械运作零件上的可能性。如果单位数量足够，但数量不过多，这将允许企业以较低廉的生产成本制作更複杂的零件或几何形状。

除了制造最终用途部件外，Werco Manufacturing还为商业航空公司和国防行业制造和维护用于飞机训练的“教练机”。教练机可以小到几个零件，也可以大到飞机机身，通常是用回收的飞机制造的。

金属3D打印也是可行的，但它是迄今为止最昂贵的3D打印类型，因为它需要昂贵的设备、设施、后处理设备、材料和专家人员等。所以，一般如需维持单一使用金属零件，大部分用户还是会选择直接使用金属铸造。但若设计中部分零件能使用替代品，聚合物和复合材料3D打印将会是一个不错的选择。

PEEK等高性能聚合物以及含碳纤维和陶瓷纤维的复合材料具有与金属相似的温度、机械和化学电阻，许多行业已发现其性能符合某些应用的要求。但这些材料的极限是什么？行业仍在努力找出用3D打印的超级聚合物和复合材料取代传统制造金属部件的界限。

生产教练机及其功能性部件

Werco Manufacturing是俄克拉何马州Broken Arrow的一家航空航天和国防制造商，也是一家正在探索这个问题的公司。2020年，该公司在其制造能力中增加了两台Roboze Argo 500 3D打印机，其中还包括钣金制造、焊接、数控加工和零件精加工。该公司的大部分业务（约70%）来自军方，其余业务则来自于商业航空公司。

Werco不仅为航空航天和国防制造最终用途零件，还专门制造用于维护和程序培训的飞机训练设备（“教练机”）。Werco首席运营官Andy Bartovick解释说：“这些教练机可能非常庞大和复杂，或者像几个零件组装一样简单。客户告诉Werco最终产品需要包括哪些任务，以及它需要低保真、中保真还是高保真，然后我们根据这些要求来生产教练机。”

随着回收的飞机部件越来越难获得，Werco增加了两台Roboze Argo 500 3D打印机，

可以从头开始制造这些部件。这些打印机设计用于使用PEEK和碳纤维PEEK等高性能材料，

使车间能够生产与金属部件功能类似的非金属部件。

高保真的教练机需要尽可能在性能、外观等方面接近实际飞机，它们通常使用回收的飞机零件制成。但是，能够回收的飞机零件越来越少。Bartovick指出，空军正在想尽办法延长飞机的生命周期，目前有两三架飞机本应在几年后退役，但空军已经将这些飞机的寿命又延长了10年、15年或更长时间。但即便当它们达到寿命，在终于能被回收之前，军方通常还会拿走其中能用的零部件，并通过MRO流程将这些零件重新使用，所以最后真正能回收的零件通常是不可用的，商用飞机也是如此，而且当进行回收时，还要冒着延长交货时间的风险。

3D打印很适合替换回收的零件，因为这项工作体积小，而且是一次性、不需要批量化的生产。且不再需要进行回收、改造、制造等环节，大大提高了制造效率。

碳纤维PEEK比传统聚合物如ABS更坚固、更耐热，使得这些部件可以像金属一样加工。

由于其较高的耐热性和保持负电荷的能力，碳纤维PEEK也可以粉末涂层。

该公司还没有准备好投资金属3D打印系统，但它需要一种方法来生产与金属相似的部件。Bartovick指出，教练机的功能性部件会经历大量的磨损，传统聚合物在这类应用中不够耐用，但高性能聚合物（如PEEK）和复合材料（如碳纤维PEEK）却足够耐用。高性能聚合物材料不仅能够应用在生活领域中，还可以应用在飞机零件上。

Roboze打印机的最大亮点就是能够使用这些高性能材料进行零件制造，可以说Roboze Argo 500为使用高性能材料而生，它具有可以加热功的打印室和打印板，以及长丝干燥和预热系统，确保用户可以准确一致地打印高性能聚合物和复合材料。

更好、更快、更强

Werco已经发现了使用更强的高性能材料如PEEK和碳纤维PEEK的许多好处。首先，碳纤维PEEK部件可以通过车床或铣床进行机械加工。与手工打磨相比，机械加工是一种更快更容易完成零件的方法。该公司还用3D打印的机器零件来移除支撑、减小误差，使它们更接近回收零件的领域。根据公司的说法，只要3D打印部件可以固定并且是实心或接近实心的，加工它就像加工金属部件一样方便。

这些材料也比传统的聚合物部件更容易上漆和粉末涂层。3D打印零件的喷漆工艺与金属零件相同，但车间在将ABS和PLA等传统材料放入加热的喷漆房时需要小心。PEEK和碳纤维PEEK的耐热性足够高，完全不用担心喷漆室温度过高的问题。高耐热性以及保持负电荷的能力还允许碳PEEK进行粉末涂层。

经验与教训

现在，Werco拥有这种机器已经快两年了，Bartovick说，他们已经学到了一些关于3D打印高性能材料的重要经验。首先，回归现实，引进了标准的ABS和PLA。事实上，Argo可以打印传统的和高性能的纤维是一个额外的奖励，因为机器没有一个封闭的材料生态系统，可以从许多来源获得标准的纤维。估计，该公司60%的3D打印工作是碳纤维PEEK，其余40%平均分配给普通PEEK和ABS。

高性能丝料价格昂贵，因此Werco会根据卷筒上剩余的丝料数量来衡量其运转情况。

由于大部分零件都是用高性能材料打印的，Werco会根据线轴上剩余的材料量组织生产。Bartovick指出，这些高性能细丝材料价格并不便宜，因此不希望出现一个卷筒没有足够的丝材而另一个卷筒还有剩余的丝材的情况。“我们肯定会努力通过卷上的丝量来衡量零件的运行情况。”他指出，在一卷上留下20英尺的碳纤维PEEK丝并不是“大事”，但随着时间的推移，就会造成成本的增加。

Roboze正在开发软件，使用户在不影响部件打印的情况下切换中间细丝卷，Werco也正在努力寻找一种方法，将较小的纤维融合在一起并重新缠绕它们。

未来机遇与挑战

Bartovick表示，由于目前制造最终用途零件、内部工具产品和原型/测试零件的任务量巨大，Werco几乎每天都在运行这两台3D打印机。所以Werco正在考虑使用Roboze Argo 1000（打印体积为：1,000 × 1,000 × 1,000 mm）来打印更大的零件。制造中心可以直接制造大尺寸零件，而不必打印较小的零件，通过组装和涂漆获得尺寸更大的零件。该公司还期待与来自Roboze的新型高性能材料合作，包括由切碎的陶瓷纤维加强的Helios PEEK 2005。这种材料将具有更高的热性能，由于其更好的表面光洁度，可能需要更少的后处理。

Werco希望能将在教练机3D打印方面的成功转化为实际飞机上的3D打印。Bartovick认为，碳纤维PEEK具有优异的耐机械冲击性、耐热性和耐化学性，可代替金属部件。这些零件可以进行机加工以确保严格的精度，并像金属零件一样涂漆或涂层。他还指出，碳纤维PEEK零件比3D打印金属零件需要更少的后处理。

来源：荣格-《国际复材技术商情》

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