導讀：PEEK、碳纖維復合材料和陶瓷纖維復合材料具有與金屬相似的耐溫性、耐機械沖擊性和耐化學性。由這些聚合物和復合材料制成的零件具有很多優(yōu)異的性能，那么用3D打印的高性能聚合物材料和復合材料部件代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造的金屬部件可行嗎？

△飛機和螺旋槳

Werco Manufacturing位于俄克拉荷馬州，專為航空航天和國防進行部件制造。2020 年，Werco Manufacturing 擁有了兩臺Roboze Argo 500 3D打印機能夠進行3D打印制造，同時還能夠進行鈑金制造、焊接、CNC 加工和零件精加工。Werco Manufacturing70%的制造任務來自軍方，其余為商業(yè)航空公司。

Werco 不僅為航空航天和國防制造最終用途零件，還專門制造用于飛機訓練設備（或稱為“教練機”）。Werco首席運營官Andy Bartovick說：“我們能制作駕駛艙內所有部件的'教練機’。 這些教練機可能像飛機機身一樣，非常龐大和復雜，或者像幾個組裝零件一樣簡單?？蛻羰紫雀嬖V Werco最終產品的要求，包括它需要低保真、中保真還是高保真度，然后制造車間根據這些要求生產教練機?！?/span>Tip：教練機（Trainer）是訓練飛行員從最初級的飛行技術到能夠單獨飛行與完成指定工作的特殊機種。無論是操作軍用或者是民用飛機的飛行員都需要經過一些相同的訓練程序，使用類似的教練機完成基礎飛行課程。

高保真的教練機需要盡可能在性能、外觀等方面接近實際飛機，它們通常使用回收的飛機零件制成。但是，南極熊了解到，能夠回收的飛機零件越來越難獲得。Bartovick指出，空軍正在想盡辦法延長飛機的生命周期，目前有兩三架飛機本應在幾年后退役，但空軍已經將這些飛機的壽命又延長了 10 年、15 年或更長時間。但即便當它們達到壽命，在終于能被回收之前，軍方通常還會拿走其中能用的零部件，并通過MRO流程（Maintenance、Repair、Operations，可以稱為設備管理系統(tǒng)，也可以稱為維護保養(yǎng)系統(tǒng)，主要作用是在生產過程中對設備進行領用、維護盤點、維修、更新替換）將這些零件重新使用，所以最后真正能回收的零件通常是不可用的，商用飛機也是如此，而且當進行回收時，還要冒著延長交貨時間的風險?！?/span>

回收飛機的零部件越來越難，好在現在有了新技術能夠解決這一問題。這一技術就是3D打??！3D打印非常適合打印飛機的零件，因為這些零件通常很小且不需要批量化生產。不再需要進行回收、改造、制造等環(huán)節(jié)，大大提高了制造效率。

△兩臺 Roboze Argo 500 3D 打印機

Werco還沒有引入金屬3D打印機，但它卻能夠生產與金屬零件性能相似的非金屬零件，這是為什么呢？

答案就是Werco增加了兩臺Roboze Argo 500 3D打印機制造飛機零件。這些打印機使用PEEK和碳纖維PEEK復合材料等高性能材料，能夠生產性能與金屬部件相似的非金屬部件。

Bartovick 指出，運動鞋中的功能部件通常會大量磨損。傳統(tǒng)聚合物在這類應用中不夠耐用，但高性能聚合物（如 PEEK）和復合材料（如碳 PEEK）卻足夠耐用。高性能聚合物材料不僅能夠應用在這種生活領域中，還可以應用在飛機零件上。Roboze 打印機的最大亮點就是能夠使用這些高性能材料進行零件制造，可以說Roboze Argo 500為使用高性能材料而生，它具有可以加熱功的打印室和打印板，以及長絲干燥和預熱系統(tǒng)，確保用戶可以準確一致地打印高性能聚合物和復合材料。

更好更快更強

Werco制造中心能夠通過車床或銑床將碳纖維PEEK零件進行機械加工。這有很多的優(yōu)勢，一方面，通過增材制造和減材制造相結合的方式能夠更快更便捷地得到想要的零件。另一方面，通過機械加工的方式去除3D打印零件的支撐可以減小誤差，使零件具有高精度。南極熊獲悉只要3D打印部件可以固定并且是實心的（或接近實心的），加工它就像加工金屬部件一樣方便。

△3D打印碳纖維PEEK零件和具有粉末涂層的3D打印碳纖維PEEK零件。

碳纖維PEEK比ABS等傳統(tǒng)聚合物更堅固、更耐熱，并可以像金屬一樣加工。碳纖維PEEK零件外層也可以進行粉末涂層，使其具有更高的耐熱性和保持負電荷的能力。

這些復合材料零件比傳統(tǒng)的聚合物部件更容易附著粉末涂層。Bartovick指出，許多的”教練機“ 的3D 打印部件都是涂漆的。3D打印零件的噴漆工藝與金屬零件相同，但在對ABS和PLA等傳統(tǒng)材料進行涂漆時需要格外小心涂漆室的溫度不能過高，因為傳統(tǒng)材料的耐熱性較低，而PEEK和碳纖維PEEK的耐熱性足夠高，完全不用擔心噴漆室溫度過高的問題。

降低打印成本的經驗

Werco擁有高性能材料3D打印機將近兩年了，Bartovick說Werco已經擁有了降低打印成本的重要經驗。使用高性能材料的3D打印部件價格很高，而且在某些應用場景，并不需要性能如此優(yōu)異的零件，若所有的部件都使用高性能材料，最終會導致成品價格過高。所以Werco引進了標準的 ABS 和 PLA材料，使得Argo不僅可以打印高性能材料，還能打印標準帶材，降低生產成本的同時使打印機的應用領域更廣闊。

由于大部分零件都是用高性能材料打印的，Werco會根據線軸上剩余的材料量組織生產。Bartovick指出，高性能絲材價格昂貴，因此不希望出現一個卷筒沒有足夠的絲材而另一個卷筒還有剩余的絲材的情況，這樣的”不同步“會造成打印失敗，增加制造成本。Werco會通過卷筒上的燈絲數量判斷零件的打印情況。南極熊獲悉，Roboze正在開發(fā)軟件，使用戶在不影響部件打印的情況下切換中間細絲卷，并且Werco正在努力尋找一種方法將較小的細絲融合在一起并重新纏繞它們。

展望

Bartovick 表示，由于目前制造最終用途零件、內部工具產品和原型/測試零件的任務量巨大，Werco幾乎每天都在運行這兩臺3D打印機。所以Werco正在考慮使用 Roboze Argo 1000（打印體積為：1,000 × 1,000 × 1,000 mm）來打印更大的零件。制造中心可以直接制造大尺寸零件，而不必打印較小的零件，通過組裝和涂漆獲得尺寸更大的零件。Werco還希望能夠使用新型高性能材料，包括用短切陶瓷纖維增強的Helios PEEK 2005。這種材料將具有更高的熱性能和高表面光潔度，使得后處理操作大大減小。

Werco希望能將在教練機3D打印方面的成功轉化為實際飛機上的3D打印。Bartovick 認為，碳纖維PEEK具有優(yōu)異的耐機械沖擊性、耐熱性和耐化學性，可代替金屬部件。這些零件可以進行機加工以確保嚴格的精度，并像金屬零件一樣涂漆或涂層。他還指出，碳纖維PEEK零件比3D打印金屬零件需要更少的后處理。

Werco 已經注意到了航空領域對小批量和一次性零件的需求。Bartovick說：“俄克拉荷馬城的Tinker Air Force剛剛提供了一份備件清單，是一份 70 頁的Excel電子表格，其中包含由于多種原因而難以獲得的零件，這些零件要么沒有相應的供應商，要么過于復雜了。因此，我們正在查看該清單，希望可以使用3D打印技術制造符合規(guī)格的零件。"

編譯來源：https://www.additivemanufacturin ... -printed-composites