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知識解讀:詳細(xì)闡述碳纖維3D打印應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間:2023-04-20
連續(xù)纖維增強(qiáng) (CFR) 是Markforged推出的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)和獨(dú)特工藝,它正在快速推動現(xiàn)代制造商對碳纖維3D打印的采用。
本文將深入探討如何通過功能性3D打印零件來實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型。我們將審視CFR工藝相對于傳統(tǒng)制造工藝所具有的優(yōu)勢,將這些優(yōu)勢與制造應(yīng)用聯(lián)系起來,并研究現(xiàn)代制造商如何利用CFR的優(yōu)勢。
何為CFR

CFR是一種使3D打印機(jī)可以用連續(xù)纖維來強(qiáng)化熔絲加工 (FFF) 零件的工藝。具有CFR功能的設(shè)備使用雙擠出系統(tǒng):一個(gè)用于傳統(tǒng)的FFF線材,另一個(gè)用于長股的連續(xù)纖維,逐層鋪設(shè)連續(xù)纖維,替代FFF填充物。由此制作出的零件會顯著提升強(qiáng)度(最高可達(dá)任何FFF材料的10倍),并可替代應(yīng)用中的鋁制零件。
碳纖維3D打印工藝優(yōu)勢
▲ 以更低成本制造出復(fù)雜的3D幾何體
得益于能夠自動生成機(jī)器指令的切片和打印工藝,3D打印機(jī)善于制造復(fù)雜的幾何體。在減材機(jī)器中,復(fù)雜度和成本之間呈指數(shù)關(guān)系:復(fù)雜的2D幾何體需要2軸或3軸CNC銑床,而3D幾何體則需要3至5軸CNC銑床。這些機(jī)器的編程和操作費(fèi)用很高,這使得傳統(tǒng)的制造設(shè)計(jì) (DFM) 指南推崇使用復(fù)雜度較低的零件。如果零件是復(fù)雜的3D幾何體并且需要很高的強(qiáng)度,只有CFR能夠?qū)崿F(xiàn)金屬級強(qiáng)度。
▲ 高度可定制
CAD至零件的簡單流程使CFR用戶能夠快速地更改設(shè)計(jì)來解決具體問題。在傳統(tǒng)制造中,制造商面臨的挑戰(zhàn)是必須在低成本、通用型解決方案和非常昂貴的一次性零件之間作出選擇。少量改變通常就會導(dǎo)致成本大幅上升,幸運(yùn)的是,CFR 3D打印使用戶能夠輕松制造定制的一次性零件。
▲ 針對功能性零件的門檻低
許多3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了可定制性和復(fù)雜零件的低成本,CFR的與眾不同之處在于,針對功能性零件它也能實(shí)現(xiàn)上述特點(diǎn)。與FFF 3D打印零件相比,CFR制造的零件具有相當(dāng)大的優(yōu)勢和特性,其中包括:
零件更堅(jiān)固
CFR使您能夠動態(tài)地將零件強(qiáng)度從塑料強(qiáng)度變成鋁強(qiáng)度。這使用戶能夠設(shè)計(jì)所需強(qiáng)度的零件并對零件進(jìn)行3D打印。
耐用性
由于連續(xù)纖維具備高強(qiáng)度、高剛度和耐用性,CFR零件在應(yīng)用中的使用壽命長于任何其他FFF 3D打印零件。此外,填充塑料也具有很高的耐磨性和韌性。

由于CFR 3D打印機(jī)能夠制造功能性零件,這種打印機(jī)在以下幾個(gè)關(guān)鍵方面使生產(chǎn)手段更符合工程師的要求:
無需等待報(bào)價(jià)
當(dāng)有需求的時(shí)候,制造商無需將零件圖紙發(fā)出,等待第三方報(bào)價(jià)。
自動化制造過程
由于3D打印機(jī)是完全自動化的,因此無需人工即可制造零件。
需求點(diǎn)零件
3D打印機(jī)適應(yīng)性強(qiáng),價(jià)格適中,適合大多數(shù)企業(yè)投資。傳統(tǒng)制造通常需要購買昂貴的機(jī)器,外包零件,并且還可能需要大量部署空間。
耐熱和耐化學(xué)腐蝕
CFR零件在大多數(shù)生產(chǎn)環(huán)境中都能抵抗環(huán)境熱量,并且經(jīng)過增強(qiáng)的短纖維填充線材具有極強(qiáng)的耐化學(xué)腐蝕性。
CFR應(yīng)用
前面我們了解CFR的部分優(yōu)勢,該技術(shù)在整個(gè)制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用兼容性,下面我們來看一些CFR應(yīng)用:
01 保形工具和夾具
現(xiàn)代制造商可以利用CFR零件的自由幾何復(fù)雜性和高功能性,輕松地制造出可以在任何方向容納復(fù)雜零件的夾具。
保形工具和夾具可以與CNC機(jī)床協(xié)同工作,例如,可以制造保形工具以使CNC機(jī)床能夠執(zhí)行原本無法完成的操作。此外,保形夾具所開創(chuàng)的新制造工作流程更經(jīng)濟(jì)、更簡單且更省時(shí)。這樣才能夠生產(chǎn)更復(fù)雜的零件,而原本用制造工具生產(chǎn)這些零件的成本太高了。
此外,保形工具的性能通常高于標(biāo)準(zhǔn)工具的性能,這是因?yàn)樗鼈兣c待夾持工件之間的表面接觸更全面。它們要比所替代的零件更輕、更硬且更堅(jiān)固。由于3D打印的成本較低,因此制造商可以為他們的零件制造各種各樣的定制保形工具。
保形工具案例:
● 軟鉗口
用于在銑削、鉆孔、切割或通過其他方式加工工件時(shí)夾持工件的保形工具。
● 末端工具 (EOAT)
組裝接觸面零件或末端執(zhí)行器,例如機(jī)械臂上的定制夾具手指。

末端工具 (EOAT)
● 成型工具
CFR零件可以按定制幾何形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)和打印,從而制作鋼和鋁質(zhì)的鈑金零件。連續(xù)纖維使這些零件具有高強(qiáng)度和耐用性,從而可以精確地操作數(shù)千次循環(huán)。

成型工具
● 專用測型儀(又稱檢查儀表)
定制打印零件,旨在與制造的零件或裝配件對接以快速確定它是否符合規(guī)格。
● CMM檢查夾具
使用定制CMM夾具可以加快復(fù)雜零件的CMM設(shè)置并提高其可重復(fù)性。
02 人體工程學(xué)和效率工作輔助
CFR制造已廣為普及,企業(yè)可使用此技術(shù)來打印過去通常難以制造的零件,這些零件可以提高效率,連接或集成其他零件或者幫助完成手動任務(wù)。此外,CFR零件可以針對不同的制造操作進(jìn)行高度定制,并定期進(jìn)行迭代以融合反饋。
● 裝配夾具和底板
產(chǎn)品裝配通常是一項(xiàng)高度依賴手動的任務(wù),在此過程中,人體工程學(xué)方面的些許改進(jìn)可以促使效率大幅提高。利用CFR 3D打印,企業(yè)能夠設(shè)計(jì)和制造這樣的零件:它們能夠提高勞動力的工作效率,并減少重復(fù)性勞損 (RSI)。

裝配夾具和底板
● 用于制造單元的零件
一旦有能力按需制造功能性零件,制造商便能快速構(gòu)思、設(shè)計(jì)和實(shí)施用于制造單元和工廠的零件。無論這些零件是支架、傳感器基架、導(dǎo)軌還是其他零件,都能減少與CNC制造零件相關(guān)的交貨時(shí)間、成本和人力。
● 工作輔助
CFR 3D打印零件可將耗時(shí)的手動任務(wù)變成簡單任務(wù)。對于一些公司來說,內(nèi)部加工可能需要8-12周的時(shí)間,但有了CFR之后,時(shí)間可以縮短到幾天。
03 迭代工具
CFR降低了制造功能性零件的門檻,這使現(xiàn)代制造商能夠更輕松地迭代和生產(chǎn)以低成本提供更多價(jià)值的零件。
● 原型件
原型件是3D打印機(jī)的最常見用例,借助CFR,用戶可以大幅提高原型件生產(chǎn)能力。利用功能性原型件,可以及早進(jìn)行測試并獲得更多信息,從而形成您的最終零件設(shè)計(jì)。

● 橋接工具
與原型件一樣,工具在被鎖定之前通常需要進(jìn)行多次迭代和大量工作。CFR 3D打印的早期工具可以生產(chǎn)出初步零件,從而為制造商提供有價(jià)值的信息,幫助他們了解在大規(guī)模生產(chǎn)之前其制造過程的工作方式。
04 備用零件
許多關(guān)鍵零件不再得到原始制造商的支持,或者由于供應(yīng)鏈限制而需要太長時(shí)間才能獲得。制造商的另一個(gè)痛點(diǎn)是處理那些易碎且不符合所需標(biāo)準(zhǔn)的零件。CFR 3D打印提供了必要的技術(shù)手段和敏捷性,能夠快速輕松地制造各種幾何形狀的功能性備用零件,要么作為備用件,要么作為對原始零件的改進(jìn)。備用零件不限于單個(gè)應(yīng)用,它們可以采用工具、夾具或最終用途零件的形式,延長設(shè)備的壽命,并實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)。

無人機(jī)原型機(jī)
功能性零件由什么組成?
根據(jù)定義,功能性是指零件滿足其設(shè)計(jì)意圖的能力。以下每項(xiàng)要求均是3D打印零件的常見功能性要求。我們已定義每項(xiàng)要求,包括短纖維填充聚合物和CFR如何滿足要求,并重點(diǎn)介紹了哪種技術(shù)會產(chǎn)生更大的影響。Markforged零件采用了這兩種技術(shù), 并用連續(xù)纖維強(qiáng)化了短碳纖維填充的聚合物。
下面突出顯示了每個(gè)功能性要求的主要驅(qū)動因素:
功能性要求 | 描述 | 短纖維填充聚合物 | 連續(xù)纖維增強(qiáng) |
剛度 | 材料在負(fù)荷下變形的程度 | 相對于傳統(tǒng)聚合物,短纖維將剛度提高了 1.5-3 倍 | 相對于傳統(tǒng)聚合物,連續(xù)纖維將剛度提高了20倍 |
強(qiáng)度 | 材料在屈服前所能承受的最大負(fù)荷 | 添加短纖維能略微提高材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度 | 連續(xù)纖維可將強(qiáng)度提高10倍 |
耐用性和耐沖擊性 | 材料在沖擊負(fù)荷下抗斷裂和吸收能量的能力 | 尼龍以其耐用性和抗沖擊斷裂性而聞名,添加短纖維進(jìn)一步提高了耐磨性 | 連續(xù)纖維增加了零件在災(zāi)難性變形前所能承受力的大小 |
耐用性和耐磨性 | 材料抵抗表面材料因摩擦而逐漸去除或變形的能力 | 短纖維提高了聚合物的耐磨性,使其在研磨環(huán)境中壽命更長 | 纖維只有在零件外部磨損后才會暴露出來,但在極端情況下,暴露纖維也能提供耐磨性 |
精度 | 零件在打印后以及應(yīng)用后與公差尺寸的接近程度 | 短纖維改善了材料的整體熱膨脹系數(shù) (CTE),從而可提高打印精度并減輕打印缺陷 | CFR不會影響初始零件精度, 但會防止塑料隨時(shí)間推移出現(xiàn)常見的尺寸蠕變 |
耐熱性 | 材料在應(yīng)用過程中對高溫的反應(yīng) | 短纖維有助于在高溫下使材料保持穩(wěn)定,從而減少翹曲 | 相比基體聚合物而言,高強(qiáng)度高溫 (HSHT)和其他長纖維更耐高溫,HDT高達(dá) 145℃ |
耐化學(xué)腐蝕性 | 材料在制造環(huán)境中暴露于有害化學(xué)物質(zhì)后的應(yīng)對方式 | 纖維填充的尼龍基聚合物可以抵抗制造過程中使用的大多數(shù)溶劑和潤滑劑 | CFR的作用十分有限,因?yàn)槔w維通常不會暴露在化學(xué)物質(zhì)中 |
“功能性”不是制造領(lǐng)域的單一術(shù)語,不同的應(yīng)用對功能性有不同的要求。下面,我們將3D打印需要滿足的功能性要求與各種常見應(yīng)用對應(yīng)起來。我們將功能性要求分為關(guān)鍵和推薦,其中“關(guān)鍵”是指應(yīng)用中幾乎所有零件都有的要求,“推薦”是指不那么重要或不太通用的要求。請務(wù)必注意,即使在具體的應(yīng)用中,功能性要求也有各種各樣的內(nèi)容,這一點(diǎn)應(yīng)作為普遍規(guī)則。

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CFR顯著優(yōu)勢
Markforged是第一家生產(chǎn)能夠使用連續(xù)纖維強(qiáng)化零件的3D打印機(jī)公司,這將使復(fù)合材料零件具有高強(qiáng)度,足以取代機(jī)加工金屬。如前所述,CFR的優(yōu)勢和好處挖掘出了各種應(yīng)用的潛力,這些應(yīng)用已幫助現(xiàn)代制造商實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型。
Markforged精心打造的The Digital Forge是面向現(xiàn)代制造商的簡便易用的增材制造平臺,它將軟件敏捷開發(fā)的強(qiáng)大威力和快捷速度融入工業(yè)制造。它由在統(tǒng)一平臺上無縫協(xié)作的硬件、軟件和材料組成,為特定用途構(gòu)建,旨在集成到您現(xiàn)有的制造生態(tài)系統(tǒng)中,消除設(shè)計(jì)與功能性零件之間的障礙。采用The Digital Forge的企業(yè)可以直接獲得的益處就是大幅節(jié)省制造零件所需的時(shí)間和資金。此平臺可以讓您的整個(gè)運(yùn)營變得更加敏捷高效,從而提升您的競爭優(yōu)勢。
THE END

Markforged利用金屬3D打印機(jī)和碳纖維3D打印機(jī)轉(zhuǎn)變了制造工藝,能夠生產(chǎn)出足夠堅(jiān)韌的零件用于工廠車間。全世界的工程師、設(shè)計(jì)師和制造業(yè)都依賴Markforged金屬和復(fù)合3D打印機(jī)來生產(chǎn)工裝、夾具、功能性原型和高價(jià)值的最終用途產(chǎn)品。
關(guān)于我們
華融普瑞(北京)科技有限公司作為Markforged在中國的授權(quán)增值經(jīng)銷商提供3D打印全流程、全價(jià)值鏈解決方案,涵蓋面向3D打印的拓?fù)鋬?yōu)化、3D打印服務(wù)、材料定制、設(shè)備定制和3D打印設(shè)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(jià)值鏈,用戶行業(yè)覆蓋汽車、航空航天、醫(yī)療、消費(fèi)品和教育等眾多領(lǐng)域。通過創(chuàng)新型的自主研發(fā)和3D打印應(yīng)用服務(wù)為客戶創(chuàng)造價(jià)值。