大幅面增材制造增强航空航天灵活性

Ascent Aerospace（美国密歇根州麦科姆镇、加州圣安娜）自称全球最大航空航天工装供应商，主要提供模具、装配和修钻夹具金属解决方案。公司模具制造聚焦大型航空结构，如发动机吊舱、机翼、机身、梁、弦条和框架。其修钻夹具用于CNC加工、机器人焊接、自动压机、检测系统和装配应用。

2018年，公司开始考虑向圣安娜组合添加大幅面增材制造，评估市场系统、材料和应用。认识到需生产Ascent典型尺寸工具的大幅面机器，2019年公司投资Thermwood（美国印第安纳州戴尔）LSAM系统——10×40英尺双龙门/双功能、挤出基增材制造单元，一端大幅面打印机、另端CNC加工能力。系统2020年二季度安装，恰逢大流行始。

Ascent圣安娜基地复合材料与增材制造全球产品经理Sean Henson称，虽时机不理想，Ascent仍即刻投入新LSAM工作，开始多月努力了解大幅面AM在工具制造环境中的能力、优势和局限。

学习曲线和大流行不withstanding，Ascent首年通过LSAM交付超20个工装项目。多数工作聚焦夹具、真空修边工具、原型和模具生产。修边夹具主用Techmer（美国田纳西州克林顿）20 wt-%切碎碳纤维增强ABS树脂。需高温循环模具应用，Ascent用聚醚砜（PESU）或聚醚酰亚胺（PEI）均增强切碎碳纤维打印。少数应用也用聚碳酸酯（PC），因其性能略优于ABS且更高温表现。Henson称约75% LSAM制品用于室温，其余用于温度循环。见温度循环模具中，有些为模具母模设计<200°F环境，其他设计用于热压罐固化达350-400°F和100 psi压力。

LSAM最大优势何在？速度和成本，Henson说。LSAM制模交付周期是金属模具一半，材料成本也更低。“速度巨大，”Henson说。“我们转向大幅面增材因材料沉积率和构建量大，工具大。能真快造真大东西。打印通常8-15小时。期间能制造重达1000-1500磅材料的工具。打印占地13-14英尺长、5英尺高，不到一天完成。”

此外，因Ascent有双龙门/双功能机器，可同时打印和精加工模具。“确有双龙门，”Henson注。“能在系统一半打印另一半加工，独立运行，能同时打印10-15英尺长件和加工另侧同长件。”且Henson指出因打印精加工同机器，“铣刀知打印机铺料位置”，加速下游加工。对正确应用和客户，Henson称3D打印比任何传统材料工艺更快提供成品可用产品。

缺点？有两个，始于大挤出机3D打印近净形特性。“我们所做皆过量构建后机加工，”Henson指出。“为尽快铺最大量材料所做权衡是打印分辨率。我们[挤出]珠宽超四分之三英寸高约四分之一英寸。看打印件可见并可感受那些波浪。就是FDM点层放大100倍。故任何光滑表面——温度模具、修边工具甚至光滑原型——均涉及加工获更精细表面，航天应用尤甚。”

第二挑战在碳纤维增强热塑性不表现如Invar、铝或钢。纤维增强材料各向异性意味模具热循环中高度变化的热膨胀系数（CTE）难生产满足尺寸规格成品零件。“这是设计端和打印端大挑战，”Henson说。“客户给最终形状，我们需建模确定工具从结构和CTE角度长什么样。”Henson称Ascent靠试错、前序打印项目数据和客户反馈学习调整设计中的CTE变异性。

Henson称此成本/收益组合——CTE对速度成本——意味LSAM能力须审慎部署，权衡应用需求与交付期限。“这真好方式几周获工具，非几月，”Henson说。“但知晓权衡。若期望像Invar工具反应完美成品，不会。但对许多客户，尤其研发开发客户，真好快速获工具方式。”

至少一个Ascent从LSAM打印的模具已用于飞行飞机生产，更多必随之而来。公司设想不远将来榨干LSAM产能需增设。公司所有权，Henson称，见3D打印潜力并高度支持扩大使用。