Desktop Metal推出面向工程师的连续纤维桌面3D打印机

Desktop Metal新型连续纤维桌面3D打印系统。来源：Desktop Metal

专注于产品开发和大规模生产金属3D打印的Desktop Metal（美国马萨诸塞州Burlington）宣布将技术扩展至复合材料领域。Desktop Metal成立于2015年，使命是“让所有工程师、设计师和制造商都能触手可及的3D打印”，至今已推出两项3D打印技术——适合办公环境的金属3D打印Studio System和高产量Production System金属3D打印机，打印速度高达12,000 cm³/hr。现在，公司推出所谓全球首台真正的连续纤维桌面打印机。

“我们正扩展产品线，将连续纤维3D打印带到每位工程师和设计师的桌面，”Desktop Metal首席执行官兼创始人Ric Fulop说。

增材制造近期进展使其在原型制作、夹具、固定装置和工装方面应用日益广泛。Desktop Metal预测未来十年技术将经历10-50倍增长，成为终端零件制造手段。公司发现市场机会，将3D打印引入服务不足领域——小型复合材料零件制造自动化。切入复合材料领域，Desktop Metal近期收购Make Composites Inc.（美国马萨诸塞州波士顿），由Konstantine Fetfatsidis创立的初创公司。Fetfatsidis最近获2019年SAMPE青年专业人士奖，曾任Aurora Flight Sciences（美国弗吉尼亚州Manassas，波音公司）先进制造研发主管。

Fetfatsidis现任Desktop Metal复合材料产品副总裁，解释创立Make的初衷。“基于我在复合材料研发和航天结构业务开发与客户打交道的经历，我看到了可及的技术和各种制造技术，坦白说对手工铺层仍是最先进工艺感到沮丧，特别是对小型零件，”他说。

他认为，小零件——小于20磅——制造商仍主要依赖手工铺层。这种劳动密集型工艺需要技工、昂贵工装和大量时间，所有这些增加零件制造总成本。

“职业生涯中有太多应用本想用碳纤维——特别是在Aurora从事eVTOL概念时——因其轻量、刚度和强度，但成本核算不合算，”Fetfatsidis说。“我想，一定有更好方法自动化、整合传统制造工序、减少工装和交付周期——所有相关成本。”

虽有尝试自动化小型复合零件制造，但性能很少达到工业用户习惯的手工铺层质量，桌面级工艺更不例外。目前大多数复合材料3D打印中，树脂常不同于传统工艺，许多打印机用专有材料不提供合格材料同等高性能，导致不均匀和质量可变性。打印件通常纤维体积含量较低、气孔率高于手工制造件。

“真正没有端到端解决方案能在桌面级用大家习惯的材料做到这一点，直到现在，”Fulop说。“我们将连续纤维材料的高性能与桌面3D打印的经济性和速度结合。”

CNC夹具： 在Fiber系统上将此CNC夹具作为连续纤维复合材料3D打印，零件极其刚性，可在加工操作中牢固锁定锁筒。碳纤维带可选择性铺设以增加承受最高载荷夹具部位刚度。加工夹具常需耐极端温度，用碳纤维增强PEEK确保高温稳定性。在新Fiber系统3D打印，机床工程师可用原本因太耗时太贵而无法加工的优化夹具设计。来源：Desktop Metal

基于预浸带

Desktop Metal新型桌面打印机采用自动化铺丝（AFP）技术生产高质量纤维增强热塑性复合材料零件。技术利用制造商业预浸带的同条生产线，接入现有供应链，利用单向（UD）预浸带市场现有增长。本质上，技术将AFP缩小为桌面打印机。事实上，公司最初项目名源自Micro AFP Kinematic Extrusion系统（Make）。

该打印机命名为Fiber，设计为模块化换刀系统，适用于办公或生产现场环境，可交付工业级制造夹具、钳口、工具和固定装置，以及终端零件。操作员可用Micro AFP头铺料，再停放切换至熔丝制造（FFF）头。

“首次，Fiber打印机将高性能AFP连续纤维材料特性与桌面3D打印机的经济性和速度结合，”Fulop说。

技术使用同款合格高性能应用UD预浸带。虽打印机能处理多种纤维和热塑性基体系统UD预浸带，初始可用材料包括增强碳纤维和玻璃纤维的聚酰胺6（PA6），以及增强碳纤维的聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酮酮（PEKK）。预浸带宽3毫米，典型12K纤维束，卷于专用线轴。单根3毫米宽束料经送料头至压轮区，非接触加热器将热塑性熔融温度升高，压轮施压实现来料带与基材下层固化。头部切刀在每程结束切断预浸带。据Fetfatsidis，预浸带质量更高，但按升计价比某些挤出基连续纤维3D打印机用1K束丝材低10倍以上。更高质量预浸带配合AFP工艺施压能力转化为更高强度。

“我们用AFP/ATL工艺中极高质量预浸带，纤维体积含量极高——60%碳纤维——搭配PEEK或PEKK高温基体，”Fetfatsidis说。

相机支架。 Fiber系统使此类相机支架等零件比用其他材料打印更刚性更轻。快速打印时间和低材料成本让设计师快速迭代设计达最优零件。来源：Desktop Metal

Fiber系统制造零件据称比钢强、比铝轻，可桌面打印。Fiber成型尺寸320×240×270毫米（12.6×9.4×10.6英寸）。优势包括整个零件连续纤维增强、极低气孔率。Fetfatsidis称PA6预浸带打印件气孔率<5%，PEEK/PEKK预浸带可<1%。操作员可控制纤维铺向实现复杂形状或特定载荷条件。因树脂是热塑性，消除热压罐固化需求，也无需冷冻储存材料。

“这是3D打印领域首个将连续碳纤维与PEEK和PEKK结合的桌面产品，”Fulop说。

导流罩载荷支架。 导流罩载荷支架用于定位金属注射成型（MIM）组件，以便机器人末端执行器在关键尺寸加工前拾取零件。此夹具因频繁进出夹具承受相当磨损。在Fiber系统3D打印导流罩载荷支架，让机床工程师将夹具制造交付周期从周缩短至小时——制造成本降低95%。来源：Desktop Metal

人人可及

Desktop Metal解决方案虽有诸多优势，含制造终端零件能力和热塑性材料，但Fiber系统最令人振奋的方面或许是其可负担性。多数用连续纤维热塑性预浸带自动制造复合零件的系统售价百万美元。Desktop Metal Fiber系统通过订阅服务提供两款机型。Fiber HT设计生产连续复合材料零件，气孔率<1%、连续纤维负载高达60%、含PEEK和PEKK等先进基体。可制作UL 94-V0阻燃件耐250°C高温，兼ESD合规件。Fiber HT入门价$5,495/年。Fiber LT起价$3,495/年，提供用PA6热塑性生产高强度ESD合规、无划痕连续纤维零件，气孔率<5%。

ESD末端执行器。 末端执行器用于印制电路板（PCB）制造过程。此件用Fiber系统静电放电（ESD）安全碳纤维增强PA6制造，保护PCB组装过程免受破坏性静电放电。作为连续碳纤维复合件打印，末端执行器极刚性、轻量，能承受PCB组装过程载荷。来源：Desktop Metal

“我们希望人们能买得起系统，放在家里或办公室桌面用连续纤维制作PEEK零件，”Fetfatsidis说。

“几千美元就能开始用现在真正高端AFP制造零件同款预浸带技术制作高性能复合零件，”Fulop补充。

随着3D打印在制造中角色增长，设计师和工程师需要能让广泛材料触手可及的解决方案。Fiber系统是朝着将高性能复合材料置于任何想利用复合材料轻量、强度和刚度优势的人触手可及的重要一步。Desktop Metal将在2019年11月19-22日德国法兰克福Formnext增材制造展会展示Fiber连续纤维桌面3D打印系统。