精密打印部件的模块化多功能性

APS Tech Solutions 是位于奥地利 Höchst 的 Automatisierte Produktions Systeme GmbH 的一个部门。该公司成立于 1987 年，为汽车、航空和机械市场中使用的 3D 水刀切割和工具机提供工程、机械和机器人解决方案。

“三年前，我们想拥有一台用途广泛的 3D 打印机，但找不到任何符合我们要求的产品，”APS Tech Solutions 的业务开发人员 Nicolai Wampl 说。 “因此，我们创建了自己的系统，即去年推出的 Wizard 480+。它可以打印连续纤维、标准热塑性长丝、金属或陶瓷。”

Wizard 480+ 的打印体积为 400 毫米长 x 230 毫米宽 x 370 毫米高，打印床可加热至 200°C。用于连续纤维长丝印刷的喷嘴可加热至500°C。

我们真的需要另一台用于工业复合材料的桌面打印机吗？ “我们的目标不是工业用桌面打印机，而是真正的工业机器，”Wampl 说。 “我们想要一台没有限制的多功能打印机，但设置不会让人不知所措。例如，您可以将低成本的桌面打印机修改为更通用，但这需要大量的专业知识和时间。另一端是工业打印机，您可以使用少量材料打印大量零件，但如果您想打印新的东西，就变得很困难。我们希望使用市场上的每种材料打印零件，但质量很高。”例如，下面讨论的冲压工具备件要求精度为0.02毫米。

“我们使用的 3D 水刀切割和工具机必须经过精确制造才能正常运行，”Wampl 解释说。 “我们已将这些知识应用到 Wizard 480+ 中，以提高打印部件的准确性。另一个区别是我们有一个像 CNC 机器一样的工具更换系统，它允许我们在一次打印中使用多种材料。例如，如果客户想在一次打印中使用两种不同类型的连续纤维，这是可能的，因为打印头是可更换的。印刷品可以使用高性能塑料，如 PEEK [聚醚醚酮] 和 PEKK [聚醚酮酮]，以及聚酰胺 [PA] 和市售 FDM [熔融沉积成型] 细丝。并非每个部件都需要连续纤维。例如，我们还有一个打印头，用于使用钢或钛的简单陶瓷和金属绿色部件。”请注意，陶瓷和金属零件需要在第二步中进行烧结，并且由于这种高温后处理，因此不包括塑料。

开放系统

“大多数公司都有两台独立的金属和非金属机器，”Wampl 指出。 “但是对于新的发展，您不希望每次试用新材料时都必须购买新打印机。我们不想要一个封闭和受限的系统，而是一个模块化、灵活的系统，您可以使用它来增强或更改打印部件。”例如，客户可能想要使用连续纤维和热塑性聚氨酯 (TPU) 进行打印。 “这是一种困难的材料，因为它的粘度下降得如此之快，以至于在打印过程中很难保持一致性。但我们想要一台能够适应这种情况的打印机。”

Wizard 480+ 设计用于打印任何连续长丝，包括玻璃纤维或铜线。 “我们的标准连续纤维长丝是 1K 碳纤维/PA，但我们也使用了 PEEK 和 PLA [聚乳酸]，我们可以使用高达 3K 的碳纤维，”Wampl 说。 APS Tech Solutions 希望向市场供应连续长丝，但其打印机不限于这些。

Wizard 480+ 也在其软件中打开。 “我们一直需要一些特殊的工程，”Wampl 说，“这就是为什么我们想要拥有最大程度的控制。对于许多打印机，您会受到软件的一些限制。但是使用我们的软件，您可以将光纤准确放置在您想要的位置，并且不受任何算法的限制。虽然您可以使用算法来生成纤维应该在哪里，但我们希望工程师控制如何放置纤维，因为他们知道如何使用零件以及什么样的力最终会在哪里。”

话虽如此，该系统相对易于使用，Wampl 说。 “例如，要使用两种不同的材料进行打印，您需要在 CAD 中创建两个不同的部件。然后，您可以使用 Simplify3D [美国俄亥俄州辛辛那提市]（一种用于许多工业 3D 打印机的切片器软件）选择用哪种材料打印哪个零件。然后我们有一个后处理器来创建要打印的 G 代码。 Simplify3D 支持设置所有打印参数，如填充层高度和密度。对于后处理，您只需拖放文件，然后将其调整到我们的机器上，因为我们有一些功能——例如工具更换器和使用连续纤维长丝——这些功能并不常见。”

“我们真的只有一个限制，”Wampl 说，“那就是打印线材的长度。我们的最小长度为 20 毫米。如果工程师使特定的打印长度短于 20 毫米，那么我们就会遇到复杂情况，并且后期处理会告诉您这是不可能的。”

质量预期，交付

Wizard 480+ 的第一个客户是高性能冲压工具制造商 Stepper Fritz GmbH &Co. KG。 （德国普福尔茨海姆）。 “他们需要一个工具的备件，并询问我们是否可以打印它，”Wampl 说。 “由于需要复杂的几何形状和材料组合，包括连续碳纤维、热塑性基质和水溶性支撑物，他们一直在努力寻找适合这项工作的 3D 打印机。”该零件的先前版本是使用 CNC 铣削的铝制成的。 “我们打印了零件，形状没有任何变化，并且还集成了用于插入的螺纹，”Wampl 指出。 “我们在外壳上使用了现成的短切碳纤维填充 PA 长丝，而在内部使用了我们的连续碳纤维/PA 长丝。”

Wampl 说，Stepper 评估了零件，确定它满足所需的精度，然后订购了我们的第一台机器。 “他们自 2020 年 7 月以来一直在运行它，没有出现任何问题，并告诉我们它仍然能以这种精度生产零件。”

高质量也是印刷后的纤维增强复合材料的一个特点，如顶部开场图像中的显微照片所示。该部件采用五层 APS Tech Solutions 的 1K 连续碳纤维增强 PEEK 长丝，在打印后立即进行切割和显微成像，无需进一步加固或后处理。该材料还在 FH Vorarlberg（德国福拉尔贝格应用科学大学）进行了测试，并在拜罗伊特大学（德国拜罗伊特）进行了显微照相。结果显示抗拉强度为 1,060 兆帕，弯曲强度为 750 兆帕。 “但是，这是非常初步的测试，我们现在正在准备更标准化的测试，我们的技术人员相信在此期间我们将获得更高的性能”Wampl 说。

“目前我们的销售对象主要是像 Stepper 这样对市场上的产品不满意的大学和公司，”Wampl 说。 “有技术好的连续纤维 3D 打印机，但大多数都受到材料或软件的限制。我们的目标是为需要最高质量零件和灵活性的客户提供服务，例如机械和专业工程公司，以及从事材料科学和开发的公司。”

该公司继续致力于自己的新开发，例如将其系统调整为六轴机械臂和空间应用材料。 “我们相信 3D 打印复合材料的应用比迄今为止所见的要广泛得多，但我们正在扩大这些视野，并为工业零件提供新的可能性。”