革新柔性零件生产：AFP与3D打印的融合

Electroimpact（美国华盛顿州Mukilteo）成立于1986年，是全球工装与生产自动化供应商，自称世界最大的飞机装配线集成商。在复合材料领域，该公司以高速自动化铺带（ATL）和自动化铺丝（AFP）系统的先进技术闻名。Electroimpact强调其以工程师为主导——600名员工中有400名拥有工程学位——从概念、设计、制造、安装到客户验收，均由同一工程师团队完成。

2020年7月，CW报道了该公司新型可扩展复合材料机器人增材制造（SCRAM）系统。这里我们分享了对SCRAM工程团队部分成员的采访：项目经理Cody Brown、工艺开发与控制工程师Ryan Bischoff以及首席机械工程师Reese Allen。他们对这一连续纤维增材制造技术的起源、实施及未来的阐述，为下一代复合材料生产的前景提供了深刻洞见。

瞄准大规模FDM

Brown：“我们已研发四年，但希望等到能证明其可生产真正的航空航天级零件时再公开。最初的目标是制造一台大规模熔丝制造（FFF）3D打印机，利用连续纤维制造复杂零件。我们并未打算开发AFP类工艺，但在试图提高纤维体积含量、增强打印件物理强度时，FFF工艺遇到了瓶颈。它根本不适合高纤维含量、低气孔的原位固化。因此，我们最终形成了一种结合热塑性复合材料AFP与FFF的工艺，使用无增强或短切纤维填充丝材。”

Allen：“AFP本身就是一种增材制造工艺。但在SCRAM中，我们并非以传统方式配合固定硬质工装使用，而是打印可水溶的工装，随后将其清洗掉，从而制造真正具有结构承载能力的极其复杂的几何形状。”

Brown：“我们可以将这种可溶工装放置在非网格锁定的位置，以创建内部腔体。目标不是与我们的大型AFP系统竞争，而是打造一套尽可能接近3D打印机的高灵活性系统。要在真正的六自由度下实现高精度极其复杂。该工作单元消除了紧固件和胶粘剂，可快速迭代制造一体化的复杂零件。”

面向航空航天的高性能

Brown：“航空航天和国防领域的初始应用要求我们从PEEK（聚醚醚酮）入手。随后我们使用PEKK（聚醚酮酮）和低熔点PAEK（聚芳醚酮）取得了显著成功。”

Bischoff：“热膨胀系数（CTE）是最大的敌人。这也是PEEK极具挑战性的原因——它倾向于结晶收缩。虽然PEKK和其他PAEK树脂的CTE不为零，但其晶体结构更可控，因此更易加工。替代PAEK还提供更好的工艺性和更高的铺放速度。”

Allen：“必须避免热梯度，因为CTE问题会导致翘曲。需尽量保持工艺和零件等温。即使不维持高温，加热腔体也是必须的——只为确保无气流，且打印件各部分温度一致。”

基于激光的工作单元

Brown：“许多赋能该系统的技术在我们启动时并不存在，包括PAEK预浸带、紧凑型大功率激光器，以及真正的六轴增材制造CAM软件。”

“SCRAM打印头在AFP系统两侧各有一个3D打印喷嘴[首图]。一个用于打印可溶工装，另一个打印无增强或短切纤维丝材。可见其中一个配备支架，安装一组反射镜将激光导向喷嘴尖端以加热基材。这使我们相比传统FFF实现了卓越的层间结合强度。系统上的灯光用于照亮零件供摄像头监控[图2]，让操作员在避免激光危险的前提下安全观察过程。”

材料形式与气孔率

Brown：“我们测试了多种材料，大多按我们对纤维、树脂、纤维体积含量和尺寸的规格定制。近期我们在试验更多商业化的分切束。短切纤维FFF丝材也按相同树脂和纤维规格定制。我们使用过1、3.5和6.35毫米直径的丝材，可做更大但暂无需求。”

“AFP部分实现50-60%纤维体积含量，但FFF部分因挤出成型显著较低。气孔率接近传统非热压罐工艺，但随工艺优化大幅下降。在实验室环境下使用极高质量材料，经CT扫描测得气孔率低于0.5%。影响因素极多，制造极复杂零件时维持低气孔率仍具挑战。我们对系统制造的零件和试样进行了大量破坏性和无损测试。”

高精度机器人控制

Bischoff：“SCRAM提供高精度机器人技术。标准现成机器人虽能以低成本实现六自由度运动，但精度远不足以满足航空航天级AFP。我们多年前开始研究如何将这些机器人应用于航空航天AFP系统。必须深刻理解系统基本原理和精度难题。我们拥有60-70名工程师组成的专门机器人团队，专攻此道。”

“实现高位置和路径精度极其复杂。机器人本身存在不精度（CTE、回差、振动等），外部轴、刀具点标定、旋转工装架等也引入误差。忽略任何一项在真正的3D打印空间中都可能造成灾难性后果。为此，我们抛弃机器人自带控制器，改用西门子CNC全权控制。然后加装Electroimpact专利的二次反馈系统到所有机器人轴，将公差从30-40密耳（0.030-0.040英寸）降至±15密耳（0.015英寸）。再施加高阶运动学补偿，达±10密耳（0.010英寸）。”

速度、末端执行器与旋转打印台

Brown：“我们采用原位固化，铺放速度无法与热固性预浸带相比。这是机器人而非大型刚性龙门平台（如AFP），后者为高速设计。速度不仅指铺放打印，还包括工装交货时间。真正的指标是：多久能拿到数字化制造的零件？”

“视频中的零件高36英寸（含打印底座超4英尺），直径16英寸。若分班不间断生产，几天内即可完成，拿到零件的时间极短。零件直接从CAD文件生成，需迭代时只需修改CAD、重新生成刀具路径、打印新件。”

Allen：“目前打印支撑工装采用放大的丝材工艺，吞吐量较慢，影响打印时间。7月我们调试了首套配备颗粒螺杆挤出机的末端执行器，将提高产出但挤出胶条较厚，因此还将增加铣削末端执行器以加工打印表面。”

Brown：“我们将拥有一系列兼容的末端执行器，机器人可自动拾取更换，执行各类增材和减材功能。末端执行器拾放完全自动化，这是我们所有AFP系统及SCRAM的标准功能。整个末端执行器通过自动换刀接口模块连接机器人，并设有存放架。”

“系统在受CNC控制的外部旋转轴上打印。这是必要的，因为单靠机器人无法触达我们想制造零件的所有点。未来我们打算将系统安装在轨道上以制造更大零件，但先在当前规模下完善系统。我们讨论过双机器人方案，原则上知道如何实现（已开发其他多机器人集成制造系统）。但两个机器人在重叠工作区作业时，控制极其复杂。”

赋能未来柔性生产

Brown：“这种多功能工作单元将为终端客户创造价值。它不必总生产连续纤维增强热塑性零件。通过在连续纤维铺放基础上增加挤出和铣削，拓宽了其应用范围和灵活性。例如，我们演示的某些结构在零件构建过程中包含减材功能，机器人随后检测表面并封闭腔体。这在没有多道工序、专用工装和/或最终装配的情况下目前无法实现。”

“但比单纯生产零件更宏大的主题是：长期来看，这种方法有望彻底改变航空航天和国防系统的设计与制造模式。不再有单一生产线专供单一产品，生产将变得柔性。减少工装也能减少库存备件。这种柔性贯穿供应链，包括减少材料过期造成的浪费。”

Bischoff：“只需少量SCRAM单元和数字化设计，库存只需保留原材料，而非数十套固定工装和有限保质期的热固性材料。”

Brown：“真正实现这种生产方式尚有路要走，但现在已清晰看到其可能性。”