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Markforged用于航空航天最終結(jié)構(gòu)件的3D打印連續(xù)纖維復(fù)合材料：不是金屬，勝過金屬
發(fā)布時間：2023-05-11
增材制造（AM）為現(xiàn)代制造商提供了一種最簡單的生產(chǎn)方式，利用復(fù)合材料制造終端零件，縮短交貨周期，加快原型工具生產(chǎn)時間。使用高性能熱塑性塑料打印的零件，可滿足飛機(jī)內(nèi)飾許多部件的火焰、煙霧和毒性(FST)要求，配合Markforged專有的連續(xù)纖維增強(qiáng)打印技術(shù)，可生產(chǎn)高強(qiáng)度，耐熱，以及更高物理性能的零件。
本篇文章帶您詳細(xì)了解，復(fù)合材料3D打印技術(shù)在航空航天制造中的應(yīng)用。
行業(yè)需求
在一個受到嚴(yán)格監(jiān)管的行業(yè)中競爭，OEM、MRO服務(wù)提供商、商業(yè)航空公司和其他行業(yè)玩家必須優(yōu)先考慮安全和性能，并且嚴(yán)格遵守監(jiān)管指導(dǎo)方針，不斷發(fā)現(xiàn)提高業(yè)務(wù)效率的方法。隨著時間的推移，傳統(tǒng)上由鋁合金制成的飛機(jī)部件越來越多地被復(fù)合材料取代，比如碳纖維。現(xiàn)在，波音787飛機(jī)的復(fù)合材料重量占50%，體積占80%。
■ 材料特性
在高強(qiáng)度和低重量的基礎(chǔ)上，航空航天應(yīng)用的材料必須具有耐腐蝕性，并能夠可持續(xù)地承受大范圍的工作溫度。航空航天材料如Onyx FR-A、碳纖維FR-A和ULTEM?9085（可在FX20上打?。┛梢猿惺艽蠖鄶?shù)航空航天應(yīng)用中的工作溫度。
■ 遵守法規(guī)
航空航天工業(yè)受到嚴(yán)格監(jiān)管，所有飛機(jī)部件和材料必須得到批準(zhǔn)來自相關(guān)監(jiān)管機(jī)構(gòu)的認(rèn)證，比如聯(lián)邦政府航空管理局(FAA)或歐洲航空局、安全局(EASA)。航空航天制造商必須證明他們的部件和材料符合聯(lián)邦航空局的一系列綜合要求測試標(biāo)準(zhǔn)，如強(qiáng)度、耐久性、紫外線、流體靈敏度、振動、可追溯性和火焰、煙霧以及毒性(FST)。通過選擇符合測試要求的材料，航空航天制造商才可以進(jìn)行下一步操作。否則，制造商將不得不重復(fù)漫長的資格認(rèn)證，重新回到起點。
■ 強(qiáng)大的產(chǎn)品性能
更大的打印尺寸使航空航天制造商能夠?qū)⒍鄠€小部件組裝成單個部件，減少裝配次數(shù)、零件計數(shù)，更大的減少誤差。Markforged的大尺寸連續(xù)碳纖維復(fù)合3D打印機(jī)FX20，其構(gòu)建尺寸為525x400x400mm，設(shè)備可打印用于最終用途應(yīng)用的部件。
為什么航空航天使用增材制造？
隨著3D打印部件作為飛機(jī)部件飛行，必須最大限度地減少部件的重量，這可以提高燃油效率，同時最大限度地減少二氧化碳排放。比如，用更輕、強(qiáng)度相同的復(fù)合材料取代飛機(jī)和直升機(jī)中的鋁制模型，可以很容易地將每個交換部件的總重量降低幾磅量級。然而，低重量不能以犧牲部件強(qiáng)度或材料性能為代價，每個制造部件必須滿足嚴(yán)格的安全和可靠性要求。3D打印碳纖維增強(qiáng)部件，可以生產(chǎn)出與6061-T6鋁強(qiáng)度相同的部件，同時與具有同等強(qiáng)度的金屬部件相比，可以顯著減輕重量。在高強(qiáng)度和低重量的基礎(chǔ)上，用于航空航天應(yīng)用的材料必須耐腐蝕，并能夠持續(xù)承受大范圍的工作溫度。適用于航空航天的材料，如OnyxFR-A、碳纖維FR-A和ULTEM? 9085等。
同時，相比于傳統(tǒng)制造技術(shù)，AM帶來了更高的成本效率、交貨時間短、更快優(yōu)化設(shè)計，讓用戶可以在需要時在需要的位置快速打印正確的零件，提供分布式制造操作。
小批量生產(chǎn)
增材制造非常適合滿足航空航天領(lǐng)域?qū)π∨俊⒍ㄖ苹慵纳a(chǎn)需求，讓這些零件在需要的時候，以優(yōu)越的價格，利用3D打印技術(shù)將他們按需生產(chǎn)出來。
減少快速原型制作和生產(chǎn)時間
借助支持云的分布式制造模式，可以在需要時在需要的位置快速打印正確的零件，而不是將零件生產(chǎn)好之后，再通過物流運輸。借助3D打印軟件，存儲在基于云的數(shù)字庫存中，這樣零件就可以發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任何3D打印機(jī)上打印，只需一個CAD文件，制造商就可以在內(nèi)部完成零件的制作，使他們的供應(yīng)鏈比以前更緊密、更高效。這種能力也可以避免制造商囤積大量庫存，實現(xiàn)準(zhǔn)時制 (JIT) 的精益制造模式進(jìn)行有效運營生產(chǎn)。
解決供應(yīng)鏈中斷問題
當(dāng)供應(yīng)鏈中斷導(dǎo)致制造所需的工具和零部件短缺時，生產(chǎn)可能會停滯數(shù)周時間。一個零件的丟失可能會導(dǎo)致制造過程完全停止，無論購買新零件需要多長時間。使用AM技術(shù)可以幫助他們控制其供應(yīng)鏈，降低制造風(fēng)險和復(fù)雜性。通過引入3D打印平臺，可以讓制造企業(yè)繞過許多風(fēng)險，同時還可以使他們的供應(yīng)鏈比以前更緊密、更高效，加快交付時間和研發(fā)速度。
設(shè)計復(fù)雜性
使用AM技術(shù)，可以輕松設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜模型，優(yōu)化最終使用部件的強(qiáng)度，減少重量和材料成本。在傳統(tǒng)制造過程中，這些都不具備成本效益，很難實現(xiàn)。AM可以通過編程方式實現(xiàn)可以減輕重量和最小材料消耗的能力，同時保持強(qiáng)度和機(jī)械性能。
快速生產(chǎn)
對于許多老化的飛機(jī)，隨著時間的推移，原始零件可能已經(jīng)沒有了，或者已經(jīng)沒有任何可用性。通過使用AM技術(shù)，可以讓我們在需要時快速、低成本地定制各種新零部件。
成本效益
與傳統(tǒng)制造方法相比，AM可以在以下幾個方面節(jié)省資金：
①通過減輕重量，讓飛機(jī)使用更少的燃料，同時也降低了基于重量的維護(hù)費用；
②通過取代對物流的依賴，利用3D打印機(jī)可以讓我們在需要的地方進(jìn)行現(xiàn)場打印，無需運輸，節(jié)省資金，同時這也使得小批量打印更加經(jīng)濟(jì)。
此外，AM與傳統(tǒng)的減材制造相比，材料消耗會大大降低，由于航空航天工業(yè)依賴于使用高性能材料制造零件，這些成本可以產(chǎn)生實質(zhì)性的差異。
增材制造在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用
AM技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的高新技術(shù)，航空航天和國防(A&D)是最早應(yīng)用3D打印技術(shù)的行業(yè)。在未來幾年AM通過不斷的發(fā)展，可更多的用于航空航天零件原型生產(chǎn)、客艙內(nèi)部組件生產(chǎn)及最終用途部件制造。
原型制作
臨時整流罩（Onyx FR）。這個整流罩為一個永久的飛機(jī)整流罩的替代產(chǎn)品臨時制造的，通常這個需要用金屬制成，但加工金屬整流罩交貨時間大約為4個月。因為制造商需要在整流罩周圍建造大量的飛行甲板，快速打印這一臨時部件，是一個有效的占位，防止項目進(jìn)展暫停。當(dāng)金屬整流罩到達(dá)時，它很容易更換，使用臨時原型部件可以幫助飛機(jī)制造商有效地滿足項目周期，不會導(dǎo)致不必要的延遲。
功能門硬件原型（Onyx）。這個零件最初的原型是用金屬加工出來的，這一生產(chǎn)過程必須由專業(yè)的機(jī)械師操作，成本高、周期長。利用3D打印技術(shù)制造這個原型部件，使機(jī)械師能夠有時間專注于生產(chǎn)最終零件，交貨時間短、成本低，無需熟練的勞動力。同時，3D打印的速度和可重復(fù)性允許用戶快速可靠地實現(xiàn)從原型到最終部件的迭代，具有較低的誤差幅度，提高效率并加速設(shè)計周期，避免裝配問題。
工裝夾具
轉(zhuǎn)子檢查表（Onyx）。檢具用于檢驗所制造零件的質(zhì)量，檢具的價格昂貴，在生產(chǎn)過程中，除了高成本之外，較長的交貨時間也會導(dǎo)致工廠停工，會拖延零件質(zhì)量檢測時間。3D打印檢測儀表可以緩解這些問題，因為制造成本、交貨時間和生產(chǎn)勞動力是最小的。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜部件，3D打印也能輕松制造，無需額外成本。
焊接夾具（Onyx）。剛開始，這種焊接夾具是由金屬板焊接而成。最初的焊接夾具限制了設(shè)計自由度。通常，焊縫的形狀必須圍繞夾具的幾何形狀進(jìn)行設(shè)計，從而產(chǎn)生了不必要的限制。這種3D打印焊接夾具提供了更靈活的設(shè)計自由度，可以根據(jù)需要靈活設(shè)計焊縫，以快速、低成本地定制各種焊接夾具。
軟爪(連續(xù)碳纖維)。這對軟爪用于銑床上的工件夾持。通常是由金屬加工而成的，這是因為零件必須能夠可靠地承受銑床上的強(qiáng)度。3D打印軟爪，如上圖所示，可定制零件幾何形狀，增加設(shè)計自由度。在打印中使用連續(xù)的碳纖維材料，可以加強(qiáng)零件的強(qiáng)度、剛性，減輕零件重量，使零件足夠耐用，以在銑削操作期間牢固地保持在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>
最終用途部件
螺母板(Onyx FR，碳纖維）。在制造飛機(jī)的過程中，螺母板非常常見，因此，在拆卸飛機(jī)部件時，經(jīng)常會發(fā)生螺母板丟失的情況，讓采購還需重新下單購買，延誤生產(chǎn)周期。使用3D打印制造螺母板生產(chǎn)過程簡單、快速，只需十分鐘就可以將模型打印出來，而且成本僅需1美元。
鍍金邊框(Onyx FR，碳纖維）。這些邊框是飛行娛樂改裝套件的一部分，還有屏幕安裝支架和控制單元的外殼。Markforged 3D打印機(jī)的高質(zhì)量表面光潔度可以輕松打印這些具有特定美學(xué)需求的裝飾性部件，周期短，成本低，可以輕松滿足客戶對外觀要求。
此外，Onyx FR是經(jīng)過認(rèn)證的UL94 V-0級阻燃材料，并且Onyx FR打印的零件強(qiáng)度高、重量輕，并具有阻燃性，可在每種應(yīng)用中快速達(dá)到FAA的合規(guī)性。
水杯架（Onyx FR，碳纖維）。這個水杯架是為特殊任務(wù)直升機(jī)定制而成，可容納1L水瓶，讓飛行員在長時間飛行過程中不會為喝水而擔(dān)憂。增強(qiáng)的碳纖維賦予了水杯架的強(qiáng)度和剛度，使水瓶在經(jīng)受反復(fù)的高負(fù)荷力時還能固定在此位置，這樣飛行員就不必?fù)?dān)心水瓶在飛行中松動。在3D打印之前，將杯架放到不同類型的機(jī)身上也是一種挑戰(zhàn)，因為每個機(jī)身沒有標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)，無法生產(chǎn)成統(tǒng)一形狀，因此加工時間無法保證，有時候為了適應(yīng)特定的機(jī)身，模型需要重新設(shè)計。當(dāng)利用3D打印制造時，無論結(jié)構(gòu)多復(fù)雜，都可以快速、低成本地制造各種幾何形狀部件，以適合獨特的機(jī)身。
隨著復(fù)合3D打印在航空航天領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，該領(lǐng)域的技術(shù)不斷發(fā)展，如實現(xiàn)更大的打印尺寸、精度、表面光潔度，更容易的操作界面以及高性能熱塑性塑料的結(jié)合，開辟了新的商業(yè)案例和應(yīng)用。
FX20廣闊的應(yīng)用前景
FX20是Markforged的新旗艦3D打印機(jī)，這臺機(jī)器將Digital Forge平臺和連續(xù)纖維增強(qiáng)（CFR）技術(shù)結(jié)合，開辟了航空航天工業(yè)零件和應(yīng)用的新領(lǐng)域。FX20比Markforged的任何3D打印機(jī)都更大、更快、更智能，無論您的需求是原型部件還是最終部件，F(xiàn)X20已準(zhǔn)備好突破我們所知的增材制造的界限。
● 更快
FX20成型尺寸比任何其他設(shè)備都大近5倍，以驚人的速度制造更大的零件。其全新的運動擠出系統(tǒng)可以在不降低質(zhì)量的條件下進(jìn)行快速打印。
● 從工廠到飛機(jī)
FX20將Digital Forge帶來的變革性優(yōu)點延伸至新的應(yīng)用和行業(yè)。它旨在生產(chǎn)從高性能工裝夾具到飛機(jī)最終零部件及配件的所有產(chǎn)品。Markforged用戶首次可以采用連續(xù)纖維增強(qiáng)技術(shù)以增強(qiáng)ULTEM? 9085線材零件，將高強(qiáng)度3D打印復(fù)合材料引入到更高要求的應(yīng)用中。
● 為生產(chǎn)而準(zhǔn)備的強(qiáng)大性能
FX20是一款精密的傳感器驅(qū)動的設(shè)備，可以帶給用戶具有突破性的可靠而簡單的體驗。完全集成的存儲和處理確保材料在打印時保持干燥，同時傳感器測量擠出系統(tǒng)的每個部分。機(jī)架和打印臺上的線性編碼器提供精確、實時的機(jī)器位置反饋，從而生產(chǎn)高精度的零件。
FX20利用連續(xù)碳纖維強(qiáng)化了航空航天使用聚合物模型，為世界各地的工程師帶來了更堅固的高溫?zé)崴苄圆考?/p>
THE END
復(fù)合3D打印技術(shù)的進(jìn)步使得航空航天制造商很容易獲得更多的好處。FX20可以用滿足航空航天應(yīng)用需求的材料制造CFR增強(qiáng)零件，為飛機(jī)上飛行設(shè)計堅固、輕質(zhì)的AM材料使FAA/EASA易于遵守批次級別的可追溯性。對附加制造的復(fù)合材料的需求預(yù)計在未來幾年將會增加，隨著航空航天制造商內(nèi)部AM知識和經(jīng)驗的增長，預(yù)計公司將看到更多使用AM來生產(chǎn)飛機(jī)部件。AM前進(jìn)可能會有助于對附加制造零部件的進(jìn)一步需求，特別是航空航天行業(yè)。
Markforged（紐約證券交易所代碼： MKFG）正在重新設(shè)想人類如何通過領(lǐng)導(dǎo)一場技術(shù)驅(qū)動的制造業(yè)轉(zhuǎn)型，為世界各地的制造商提供解決方案。Markforged的Digital Forge平臺以提供穩(wěn)定的高質(zhì)量的工業(yè)水準(zhǔn)生產(chǎn)能力從而規(guī)避現(xiàn)有供應(yīng)鏈以外的不便，讓世界各地的工程師、設(shè)計師和制造專業(yè)人員依靠Markforged的3D打印機(jī)實現(xiàn)工裝夾具、功能原型和高價值的最終用途零件生產(chǎn)。
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)品生命周期價值鏈，用戶行業(yè)覆蓋汽車、航空航天、醫(yī)療、消費品和教育等眾多領(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)造價值。
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