利用大幅面 AM 为航空航天灵活性提供燃料

Ascent Aerospace（美国密歇根州马科姆镇；美国加利福尼亚州圣安娜）自称是世界上最大的航空航天工具供应商，主要为模具、装配和修整和钻孔夹具提供金属解决方案。该公司的模具制造重点是大型飞机结构，如机舱、机翼、机身、翼梁、纵梁和框架。其修边和钻孔夹具用于 CNC 加工、机器人焊接、自动压力机、检测系统和装配应用。

2018 年，该公司开始考虑在其 Santa Ana 产品组合中增加大幅面增材制造，并对市场上的系统、材料和应用进行评估。认识到需要一台能够生产 Ascent 典型尺寸工具的大幅面机器，该公司于 2019 年投资了 Thermwood（美国印第安纳州戴尔）的 LSAM 系统——10 x 40 英尺双龙门/双功能、基于挤压的增材制造单元，一端包括大幅面打印机，另一端包括 CNC 加工能力。该系统于 2020 年第二季度安装，就在大流行开始之际。

Ascent 圣安娜地区复合材料和增材制造的全球产品经理 Sean Henson 表示，虽然时机并不理想，但 Ascent 能够将新的 LSAM 立即投入使用，并开始了为期数月的努力以了解其功能、优势以及工具制造环境中大幅面 AM 的局限性。

尽管存在学习曲线和流行病，但 Ascent 在其运营的第一年通过 LSAM 交付了 20 多个工具程序。大多数工作集中在夹具、真空修整工具、原型和模具的生产上。对于装饰固定装置，Ascent 主要使用 Techmer（美国田纳西州克林顿）的 ABS 树脂，并用 20 重量% 的短切碳纤维增强。对于需要高温循环的模具制造应用，Ascent 使用聚醚砜 (PESU) 或聚醚酰亚胺 (PEI) 打印，两者均用短切碳纤维增强。在一些应用中，Ascent 还使用聚碳酸酯 (PC) 进行印刷，因为它的性能略好于 ABS，并且具有更高的温度性能。 Henson 说，使用 LSAM 系统制造的产品中约有 75% 用于室温，其余用于温度循环。在可以看到温度的模具中，有些是模具母模，专为 <200°F 的环境而设计，而另一些则专为高达 350-400°F 和 100 psi 压力的高压釜固化而设计。

那么，LSAM最大的优势是什么？速度和成本，Henson 说。 LSAM 制造模具的交货时间是金属模具的一半，材料成本也更低。 “所以速度很重要，”Henson 说。 “我们采用大幅面添加剂的原因是材料沉积率以及我们可以建造的数量，因为我们的工具很大。我们可以非常快速地构建一些非常大的东西。我们的打印通常需要 8 到 15 个小时。那时，我们能够制造重达 1,000 或 1,500 磅材料的工具。因此，我们正在研究一个 13 到 14 英尺长、5 英尺高的足迹，我们正在不到一天的时间内打印出来。”

此外，由于 Ascent 有一台双龙门/双功能机器，它可以同时打印和完成模具。 “它确实有双龙门架，”Henson 指出。 “所以我们有能力在系统的一半上打印，在另一半上机器打印，我们可以独立运行它们，所以我们可以打印 10 到 15 英尺长的东西，然后在机器的另一边机器。相同长度的表，并同时运行这些操作。”此外，Henson 指出，由于打印和精加工在同一台机器上，“路由器知道打印机将材料放置在哪里”，从而加快了下游加工过程。 Henson 说，对于合适的应用和合适的客户，3D 打印可以比任何传统材料或工艺更快地提供成品、可用的产品。

缺点？有几个，从使用大型挤出机的 3D 打印的近净形状方面开始。 “我们所做的一切都是对后期加工进行过度构建，”Henson 指出。 “要尽可能快地放下尽可能多的材料，您需要权衡打印件的分辨率。我们的[挤压]珠子宽超过四分之三英寸，高约四分之一英寸。当你看一件印刷品时，你可以看到那些扇贝，你可以感觉到它们。这是一个 FDM 点层，只是放大了 100 次。因此，对于任何类型的光滑表面，无论是温度模具还是修整工具，甚至只是光滑的原型，都需要一些机加工组件来获得更精细的表面，尤其是对于航空航天应用。”

第二个挑战在于碳纤维增强热塑性塑料的性能不像因瓦合金、铝或钢。纤维增强材料的各向异性特性意味着它们在热循环过程中模具中的热膨胀系数 (CTE) 变化很大，这使得生产符合尺寸规格的成品部件变得困难。 “这是我们在设计和印刷方面面临的巨大挑战，”Henson 说。 “客户会给我们一个最终的形状，然后我们需要做一些建模工作，从结构的角度和 CTE 的角度来确定工具需要看起来像什么。” Henson 表示，Ascent 正在学习调整其设计中的 CTE 可变性，依靠反复试验、从以前的打印程序中获得的数据和客户反馈来帮助其改进其设计能力。

Henson 表示，这种成本/收益组合——CTE 与速度和成本——意味着必须谨慎部署其 LSAM 功能，根据交付期限权衡应用程序要求。 “这是在几周内获得工具的好方法，而不是几个月，”Henson 说。 “但请注意权衡取舍。如果您期望它像 Invar 工具一样做出反应，在那里您将获得完美的零件，那么它不会那样做。但是对于很多客户，尤其是很多研发和开发客户来说，这是获得快速工具的好方法。”

也就是说，至少有一个 Ascent 从其 LSAM 打印的模具已经用于生产飞行器，而且肯定会出现。并且该公司设想有一天，当它最大限度地发挥其 LSAM 容量并需要增加更多时，不会太遥远。 Henson 表示，该公司的所有者看到了 3D 打印的潜力，并高度支持其扩大用途。