增材制造：复杂工业模制件也能实现批量生产

作为一项关键技术，增材制造（AM）因其无需模具的生产方式而拥有巨大的降本潜力，尤其适用于制造大型部件。但是，由于缺乏丰富的生产经验、对材料的依赖性高以及对最终部件性能的可预测性不足，其从概念走向可复制的批量生产仍面临挑战，而传统的试错方法往往效率低下且成本过高。唯有将上述三家合作伙伴分别提供的设备技术、工艺理解、材料开发和仿真技术相结合，才能为高要求的增材制造应用建立稳健且经济高效的工艺流程。这一整体方案已通过汽车中控台展示件得到了验证。

标题图：西蒙·克劳泽（M.TEC Engineering）、尼古拉·拉默特（德国伊之密）、弗里德里克·施瓦茨和迈克尔·里克（安科罗）以及沃尔夫冈·佩尔策（M.TEC Engineering）共同展示了增材制造的新方案（从左至右） © 安科罗

专为大型精密部件而设计的设备技术

作为注塑机和增材制造系统的制造商，伊之密始终致力于为客户提供经济高效的整体解决方案。因此，该公司在设计用于工业级3D打印的SpaceA系列产品时，特别注重生产效率和工艺可靠性。该设备技术专为实现高度自动化、高材料吞吐量和大批量生产而设计，因此能够以工业级规模制造技术部件。

该工艺的原理是，将熔融塑料颗粒通过安装在工业机器人上的挤出机逐层涂覆到构建平台上。均匀的料带宽度是实现表面质量一致性的关键，其受挤出机温度、螺杆转速、移动速度和冷却速度的共同影响。根据具体需求可采用不同几何形状的喷嘴，从而适配多种标准聚合物和纤维增强塑料。通过选择合适的喷嘴和打印策略，可局部设定并增加壁厚。这使得复杂的几何结构能够以低成本、无需模具的方式实现，而若采用传统方法则需付出巨大努力才行。

为了研究打印过程及其最终部件性能的可预测性，研究人员选取了一个基于汽车中控台几何形状的展示件作为研究对象，并且采用定制的打印策略将通风管道以介质密封的方式集成于其中。对于技术部件而言，除了力学性能外，尺寸精度同样关键。在3D打印中，材料的自由收缩会对最终几何形状产生显著影响，这一特性尤为重要。部件设计和熔体沉积策略在此起着决定性作用，因为成型件内部的温度分布对收缩有着重大影响。因此，要实现真实的模拟，不仅需要考虑工艺数据和部件几何形状，还必须考虑挤出点的移动路径。

用于料粒基增材制造的技术化合物

作为应用型技术化合物领域的专家，安科罗利用其自有的伊之密SpaceA系统对增材制造用的材料进行鉴定和开发。在为增材制造开发新型化合物时，其关注点不仅包括材料的应用性能和加工性能，还涵盖可持续性方面的考量。

图1：3D打印和注塑成型力学性能的对比（相对值）——增材制造在沉积方向上具有更高的强度和刚度

（来源：安科罗；制图：© Hanser）

安科罗通过化合物材料为增材制造工艺生成特定应用数据。料带几何形状、打印层时间和轮廓层数等参数通过测试几何体进行调整，使其能够代表实际部件的特性。与注塑成型的试样相比，采用纤维增强化合物增材制造的试样在沉积方向（0°）上通常表现出更高的强度和刚度。相比之下，基体聚合物更具延展性的材料行为在90°方向上占主导地位。力学特性随加工方法变化的对比结果以PA11-rCF40（Akromid Next U28 ICF 40 1（8238））为例进行了展示（图1）。在进行正确的结构设计和仿真时，必须考虑这些方向性差异，以确保设计能够适应相应的载荷工况。

图2：安科罗的材料鉴定基于使用热成像技术确定力学性能和加工窗口 © 安科罗

热成像测量被用于确定材料特定的工艺窗口。这些数据还可用于验证工艺模拟，从而实现对不同壁厚的复杂部件进行热设计。通过这一验证流程，安科罗为整体仿真建立了数据基础（图2）。

图3：模拟温度分布（左）和模拟翘曲（中）——与3D扫描结果（右）的对比显示，仿真与打印部件具有高度一致性

© M.TEC Engineering

PA6-GF等标准材料正针对3D打印在加工性能和打印质量方面进行深度开发。经增材制造优化的PA6-GF30（Akromid B3 GF 30 AM（8917）/（8962））已在这两方面取得成功。但是，该材料固有的翘曲行为仍是一个关键挑战：经验性翘曲测量表明，由于基体聚合物和增强材料的差异，PA6-GF30的翘曲程度比PA11-rCF40高出近60%。通过仿真精确映射这些材料差异可以在设计上对部件进行调整，从而确保生产出尺寸精确的零件。

仿真驱动的工程：预测成就未来

作为三方联盟的工程合作伙伴，M.TEC Engineering能够对增材制造塑料部件的结构力学性能进行精确预测。仿真模型可计算强度、刚度和应力分布，并基于热影响以及热塑性塑料在打印过程中复杂的粘弹性材料行为，可靠地预测形状偏差和翘曲。

测试部件的热力学和力学仿真展示了冷却过程中的温度分布和部件变形情况（图3）。前者主要用于识别打印过程中温度过高或过低的关键区域。这些区域会直接影响最终部件的力学性能和尺寸精度。根据仿真结果可对部件设计和打印参数进行调整。

图4：PA6-GF30（左）和PA11-rCF40（右）翘曲仿真结果的对比展示了两种材料的差异，这些差异会体现在打印结果中

© M.TEC Engineering

翘曲仿真用于预测3D打印后部件的实际几何形状，从而可在首次打印前进行设计调整以补偿翘曲，这对于易翘曲材料尤为重要。对比由PA6-GF30和PA11-rCF40制成的测试几何体的翘曲仿真结果，可清晰地观察到不同材料行为在仿真中的表现（图4），从而为部件优化提供重要依据。

仿真结果与现场记录的热成像数据的对比以及翘曲计算结果与实际部件（3D扫描，图3右）的对比，均证实了仿真结果的准确性。

结论

伊之密、安科罗和M.TEC Engineering之间的合作表明，从整体工艺视角来看，增材制造同样适用于复杂工业模制件的批量生产。这一成果建立在工艺工程专业知识、材料技术专长以及扎实的工程设计能力的协同作用基础上。 

本文由荣格独家翻译自Plastics Insights杂志
作者：Dr.-Ing. Yuxiao Zhang，Dr. Michael Rieck，Dipl.-Ing. Wolfgang Pelzer

来源：荣格-《国际塑料商情》

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