桌面3D打印连续纤维

Desktop Metal 的新型连续纤维桌面 3D 打印系统 Source |桌面金属

Desktop Metal（美国马萨诸塞州伯灵顿）是一家专门从事用于产品开发和批量生产的金属 3D 打印的公司，该公司宣布将扩展其技术以包括复合材料社区。 Desktop Metal 成立于 2015 年，其使命是“让所有工程师、设计师和制造商都能使用 3D 打印”，从那时起，该公司已将两种 3D 打印技术推向市场——其办公友好型金属 3D 打印工作室系统和高-volume Production System 金属 3D 打印机，打印速度可达 12,000 cm ³ /小时。现在，该公司推出了它所说的世界上第一台真正的连续纤维桌面打印机。

“我们现在正在扩大我们的产品范围，将连续纤维 3D 打印带到每位工程师和设计师的桌面，”Desktop Metal 的首席执行官兼创始人 Ric Fulop 说。

增材制造的最新进展使其在原型制作以及夹具、固定装置和工具中的使用越来越广泛。 Desktop Metal 预测，作为制造最终用途零件的一种手段，该技术将在未来十年内实现 10-50 倍的增长。该公司认识到市场上有机会将 3D 打印引入服务不足的领域——小型复合材料零件制造的自动化。 Desktop Metal 开始进军复合材料领域，最近收购了 Make Composites Inc.（美国马萨诸塞州波士顿），这是一家由 Konstantine Fetfatsidis 创立的初创公司。 Fetfatsidis 最近被评为 2019 年 SAMPE 年度青年专业人士，之前曾担任波音公司 Aurora Flight Sciences（美国弗吉尼亚州马纳萨斯）的先进制造研发负责人。

现任 Desktop Metal 复合材料产品副总裁的 Fetfatsidis 解释了他创办 Make 的灵感。 “根据我在复合材料研发以及与客户打交道的航空结构业务开发方面的经验，我必须看到并使用可访问的东西和各种可用的制造技术，坦率地说，我对手工铺设仍然处于状态感到有点沮丧- 艺术，特别是对于较小的零件，”他说。

他认为，对于小于 20 磅的小零件，制造商仍然主要依赖手糊。这种劳动密集型过程需要技术人员、昂贵的工具和大量时间，所有这些都增加了制造零件的总体成本。

“在我的职业生涯中，有很多我们喜欢使用碳纤维的应用——特别是在 Aurora 研究 eVTOL 概念时——因为它具有轻质、刚度和强度，但成本并没有增加， ”费特法西迪斯说。 “我心里想，必须有更好的方法来实现自动化、整合传统制造中涉及的流程步骤数量、减少工具和缩短交货时间——所有与之相关的成本。”

虽然已经尝试使小型复合材料部件的制造自动化，但其性能很少达到工业用户习惯于手工铺层的质量，当然在桌面工艺中也达不到。在当今大多数复合材料 3D 打印中，树脂通常与传统工艺中使用的树脂不同，而且许多打印机使用的专有材料无法提供与合格材料相同的高性能，从而导致质量的不均匀性和可变性。与手工制造的零件相比，所得零件通常具有更低的纤维体积含量和更高的孔隙率。

“到目前为止，确实没有端到端的解决方案可以在桌面级别使用人们习惯使用的材料来完成这项工作，”Fulop 说。 “我们将 3D 打印的优势与适合高性能应用的连续纤维材料相结合。”

数控夹具： 通过在 Fiber 系统上 3D 打印这种 CNC 夹具作为连续纤维复合材料，该部件可以变得非常坚硬，从而在执行机加工操作时能够将锁芯牢固地固定到位。碳纤维带可以有选择地铺设，以增加夹具承受最高负载的部分的刚度。加工夹具通常需要承受极端温度，使用碳纤维增强 PEEK 可确保高温下的稳定性。通过在新的 Fiber 系统上进行 3D 打印，机加工车间工程师将能够使用优化的夹具设计，否则加工起来既费时又费钱。来源 |桌面金属

基于磁带

Desktop Metal 的新型桌面打印机采用自动纤维铺放 (AFP) 技术来生产高质量的纤维增强热塑性复合材料部件。该技术利用与制造商业预浸带相同的生产线，从而利用现有的供应链并利用单向 (UD) 带市场已经发生的增长。从本质上讲，该技术采用 AFP 并将其缩小为桌面打印机。事实上，该公司最初的项目名称来源于Micro AFP Kinematic Extrusion system (Make)。

该公司将其称为 Fiber 的打印机设计为用于办公室或生产车间环境的模块化工具更换系统，能够提供工业级制造夹具、钳口、工具和固定装置以及最终用途部分。操作员可以使用微型 AFP 头布置材料，然后将其停放并根据需要切换到熔丝制造 (FFF) 头。

“这是纤维打印机第一次将高性能 AFP 连续纤维材料的材料特性与桌面 3D 打印机的经济性和速度相结合，”Fulop 说。

该技术使用与高性能应用相同的 UD 胶带。虽然打印机能够处理具有多种纤维和热塑性基质系统的 UD 胶带，但最初可用于该系统的材料将包括具有碳纤维和玻璃纤维增​​强材料的聚酰胺 6 (PA6)，以及聚醚醚酮 (PEEK) 和碳纤维增强聚醚酮酮 (PEKK)。这些胶带以 3 毫米宽的格式提供，通常具有 12K 丝束纤维，并缠绕在专有卷轴上。一根 3 毫米宽的丝束穿过头部，直到它到达压区区域，在那里非接触式加热器使热塑性塑料的温度高于其熔融温度，压实辊施加压力以巩固传入的用胶带粘在下面的基材上。头部中的切割器在每次通过结束时切割胶带。根据 Fetfatsidis 的说法，与某些使用连续纤维的基于挤出的 3D 打印机中使用的 1K 丝束线轴相比，这些胶带提供了一种质量更高但每升成本低 10 倍以上的解决方案。此外，胶带的质量更高，并且具有增加压力的能力 通过 AFP 工艺的零件转化为更高的强度。

“我们拥有用于 AFP/ATL 工艺的高质量胶带，这些胶带具有非常高的纤维体积负载——60% 的碳纤维——我们将其与 PEEK 或 PEKK 高温基质结合在一起，”Fetfatsidis 说。

相机支架。 与使用其他材料打印的部件相比，纤维系统使部件（例如此相机支架）变得更硬、更轻。快速的打印时间和较低的材料成本使设计师能够快速迭代设计以获得最佳零件。来源 |桌面金属

据说用纤维系统制造的零件比钢更坚固，比铝更轻，并且可以打印在桌面上。 Fiber 的构建体积为 320 x 240 x 270 毫米（12.6 x 9.4 x 10.6 英寸）。优点包括贯穿整个部件的连续纤维增强和非常小的孔隙率。 Fetfatsidis 说，用 PA6 胶带制成的零件孔隙率可能低于 5%，而 PEEK/PEKK 胶带可以生产孔隙率低于 1% 的零件。操作员有能力操纵牵引 以实现复杂的形状或特定的负载条件。由于树脂是热塑性塑料，因此无需高压釜固化，也无需将材料储存在冰箱中。

“这是 3D 打印领域中第一个将连续碳纤维与 PEEK 和 PEKK 结合在桌面上的产品，”Fulop 说。

护罩负载支架。 护罩负载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可以在加工关键尺寸之前拾取零件。由于它不断循环进出夹具，因此该夹具经历了相当大的磨损。在 Fiber 系统上 3D 打印护罩负载支架使机加工车间工程师能够将生产夹具的交货时间从几周缩短到几小时，同时将制造成本降低 95%。来源 |桌面金属

每个人都可以访问

虽然 Desktop Metal 的解决方案拥有多项优势，包括能够创建最终用途部件和使用热塑性塑料，但可以说，Fiber 系统最令人兴奋的方面之一是其经济性。大多数使用连续纤维热塑性胶带自动制造复合材料部件的系统都是价值数百万美元的系统。 Desktop Metal 的 Fiber 系统通过订阅服务提供两种型号。 Fiber HT 旨在生产具有小于 1% 孔隙率和高达 60% 连续纤维负载的连续复合材料部件，以及先进的基体，包括 PEEK 和 PEKK。除了符合 ESD 标准的零件外，它还可以使 UL 94-V0 阻燃零件能够承受高达 250°C 的高温。 Fiber HT 型号的入门价格为每年 5,495 美元。同时，Fiber LT 的起价为每年 3,495 美元，提供了一种经济实惠的方式，可以使用孔隙率 <5% 的连续纤维和 PA6 热塑性塑料生产符合 ESD 的高强度、无损伤部件。

ESD 末端执行器。 末端执行器在印刷电路板 (PCB) 的制造过程中使用。该部件采用纤维系统的静电放电 (ESD) 安全碳纤维增强 PA6 制成，有助于在整个组装过程中保护 PCB 免受静电放电的破坏。作为连续碳纤维复合材料印刷的末端执行器非常坚固、轻便，并且能够承受 PCB 组装过程中的负载。来源 |桌面金属

“我们希望人们能够购买该系统，将其放在家里或办公室的桌面上，并使用连续纤维制造 PEEK 部件，”Fetfatsidis 说。

“只需几千美元，您就可以开始使用与现在用于真正高端 AFP 制造部件的胶带技术相同的胶带技术制造高性能复合部件，”Fulop 补充道。

随着 3D 打印在制造业中的作用不断增长，设计师和工程师需要能够使用各种材料的解决方案。纤维系统是朝着让任何想要利用复合材料提供的轻质、强度和刚度优势的人都能接触到的高性能复合材料迈出的一大步。 Desktop Metal 将于 11 月 19 日至 22 日在德国法兰克福举行的 Formnext 2019 增材制造展览和会议上展示其纤维连续纤维桌面 3D 打印系统。