代尔夫特工业化连续纤维复合印刷

CEAD（荷兰代尔夫特）在 Karen Mason 2019 年 3 月的专题“将连续纤维 3D 打印推向生产”中被引入。在这篇博客中，我根据对联合创始人 Maarten Logtenberg 的采访提供了更多详细信息，包括公司为何单独销售挤出机以及公司对未来连续纤维打印的愿景。

使用和不使用连续纤维进行印刷——在同一张印刷品中

CEAD 与 Logtenberg 一起由 Lucas Janssen 创立。他们是创办荷兰 3D 打印机公司 Leapfrog 的团队的一半。 “我们为该行业制造了许多不同的 3D 打印机，”Logtenberg 说。 “我正在研究市场，感觉缺少适合真正工业应用的材料进行大规模印刷。与仅使用热塑性塑料相比，您需要更高的强度。”这就是使用连续纤维打印所提供的。 “因此，我们开发了自己的技术，并获得了专利，”他继续说道。

“我们仍然认为需要使用短纤维和不含纤维的印花。”这就是为什么 CEAD 的 连续纤维增材制造 (CFAM) 技术支持使用连续纤维和进行打印 直接从未增强或短纤维增强颗粒中挤出在同一印刷品中 . “我们不需要更换打印头，”Logtenberg 解释说。 “我们将连续纤维置于熔体中间，因此两者同时被挤出。但是他们使用不同的驱动系统。 连续纤维 被推入打印头，但已预先浸渍以确保质量。”

Logtenberg 说，已经成为注塑和包覆成型复合材料以及压缩成型直接长纤维热塑性塑料 (DLFT) 复合材料的标准，颗粒/颗粒材料的直接挤出对于工业生产来说更便宜。 “这些材料必须干燥 预印，我们开发了自己的干燥机，它连接到 CFAM 机器。”

与包覆成型的热塑性复合材料类似，对于每次打印，预浸连续长丝和未增强或短纤维增强的直接挤出都使用相同的聚合物。该公司加工过多种聚合物，包括 ABS、PC、PEEK、PET、PLA 和 PP。他们现在正在探索 PEKK 和低熔点 PAEK。

CEAD 提供了一个用于机械臂的较小挤压头（顶部）及其 CFAM Prime（底部）龙门式机器，构建体积为 4m x 2m x 1.5m。
来源：CEAD

加热区和龙门与机器人

目前，CEAD 提供具有四个加热区的机器人挤出机及其基于龙门的 CFAM Prime 机器，在挤出机中有 4 x 2 x 1.5 米的构建体积和 10 个加热区。 “我们于 2017 年开始开发，”Logtenberg 说。 “打印头基于注塑成型常用的单螺杆挤出机。您需要区域来逐渐加热材料，以便您可以施加所需的大量压力（50-60 巴）来挤出如此多的材料。颗粒被转移到桶中，在那里熔化，然后你压缩和推动。如果加热太快，挤出机中就不会产生压力。”

为什么要单独出售挤出机/打印头？ “客户还需要一个更小的挤出机，用于机械臂来构建他们自己的机器，但不使用连续纤维，只是直接挤出，”Logtenberg 说。那么为什么要为 CFAM Prime 使用龙门架呢？简短的回答：准确性和速度。他解释说：“机器人在相对精度方面非常擅长，但它们从 A 点到达 B 点的方式是不准确的。使用 3D 打印，您必须连续准确地移动 创造出高质量的成品零件。”

“另一个问题是速度，”他继续说道。 “我们想要工业生产的高输出和高分辨率。使用我们挤出机的机械臂可以以 4 m/min 的速度移动，这对于机器人来说非常快，但龙门机可以以 60 m/min 的速度移动 .”

尽管龙门架提供了速度，机械臂上的挤出机仍然提供多轴打印 . “我们有兴趣使用多轴打印来克服当前的 z 方向属性挑战[典型的切片打印]，”Logtenberg 承认。 “我们首先开发了龙门系统，但现在有了西门子的新控制系统，可以对机械臂提供相同的控制。所以我们正在开发 5 轴机器 .龙门系统仍然更快，但这个新系统提供了真正的多轴放置。”他设想将这两个系统结合起来，类似于 5 轴数控铣床的配置。

CFAM Prime 机带封闭室（底部）。
来源：CEAD

冷却和控制

3D 打印的问题之一是控制收缩 的塑料基质。尽管 CFAM Prime 最初使用红外 (IR) 加热，通过热像仪的输入进行管理，但 Logtenberg 承认，该系统在打印复杂形状时会产生不均匀的加热。 “我们仍然使用封闭式打印室 并且正在开发加热打印床 ，“ 他说。 “这将提供更均匀的热量，我们仍将使用热像仪来监控和管理系统。如果您间隔六个月打印两次相同的部件，您将在打印室内拥有相同的温度曲线和条件。”

Logtenberg 指出，CFAM Prime 挤压出的材料太多，其中包含大量能量。 “因此，很难将其冷却到足够快以使打印稳定。您希望在打印时冷却各层，使其稳定。”他补充道。这种冷却是如何实现的？ “使用强制通风，并且经常使用，”Logtenberg 说。他指出，在打印床和封闭的打印室中加热是控制翘曲的一部分。 “您正在将热层放置在冷层之上。但是您希望将材料保持在其 Tg 以上，对于某些材料而言，Tg 超过 150°C，但在其上打印仍很稳定。”即使在这个过程中，Logtenberg 指出，零件中总会存在一些热应力。 “您可以执行一些后期处理步骤来消除零件的张力。”

具有多个加热区的机器人挤出机。
来源：CEAD

CEAD 使用西门子系统来控制其机器。 “这些都经过深思熟虑，可以应对工艺和材料中的复杂挑战，”Logtenberg 解释说。 CEAD 编写自己的软件 西门子系统背后提供了一个简单的用户界面。 “该机器使用 G 代码运行，这也是用于工业铣床的标准，”他指出。 “这为零件编程提供了自由。它可以使用开源切片器，也可以使用 Siemens NX ，这是一款功能强大的软件工具。”

Logtenberg 说客户可以选择他/她想要的复杂程度。 “我们的方法非常开源 ，可以使用不同类型的打印软件。因此，如果客户想要非常简化的打印件，您只需按一个按钮。但也可以使用更高级的软件。但是，客户必须了解如何使用它。我们的愿景是让人们决定他们想要使用什么，然后我们支持他们 。” Logtenberg 指出，CEAD 是向企业销售，而不是向消费者销售。 “所以我们有能力提供更多的支持。”

印刷部件和特性

“您可以感觉到用连续纤维打印的部件与用短切纤维打印的部件之间的差异，”Logtenberg 指出。 “但我们还没有测试属性。”这是下一个任务，现在机器开发和初始发射已经完成。 “今年，我们将致力于全面表征材料，并为每种材料组合开发具有压缩强度、刚度等的数据表，”他补充道。

确定空隙含量和纤维体积也是该表征工作的一部分。 “目前我们的纤维含量并不高，”Logtenberg 承认。 “例如，如果您使用的是短切纤维颗粒，则按重量计，您的纤维含量为 30%。加入连续纤维只增加了10%，因为整体产量和体积都很大。”

如何通过压实来减少空隙含量？ “喷嘴本身正在压实层，”Logtenberg 说。 “你必须有正确的层高与宽度。如果你有这个权利，你就会在各层之间获得良好的附着力。”他解释说高宽比 应该在正确的范围内，以允许印刷层中的压缩力和足够的热量在各层中获得良好的融合。 “例如，在 5 毫米高和 5 毫米宽的印刷层中，几乎没有压缩力，”他指出。 “对于 5 毫米高的层，您需要 10 毫米的宽度。”

Logtenberg 说，CEAD 正在不断提高 CFAM Prime 的打印质量。 “我们已经开发了很多用于动态打印的内部软件。”他解释说，拐角处存在问题，因为挤出机正在推出材料，而机器必须减速才能转向。 “我们现在已经解决了这个问题。例如，我们使用传感器、动态和层温度不断开发我们的跟踪，以改进过程控制 。”

使用 CFAM Prime 打印复杂的形状。
资料来源：CEAD Instagram，2019 年 3 月

船舶和建筑机械

Logtenberg 表示，CEAD Prime 工业生产能力的首要目标是海洋和建筑和基础设施市场，因为其打印的复合材料部件足以直接用于终端服务。事实上，它的第一批客户是Royal Roos （荷兰鹿特丹），一家海洋工程和建筑公司，以及 Poly Products （荷兰韦肯丹），一家在海洋、建筑、工业、娱乐和交通领域工作的复合材料制造商。

话虽如此，CFAM Prime 也被用于打印模具，尤其是海洋结构。 “这就是我们继续使用机械臂的原因，”Logtenberg 说，“并且我们添加了 CNC 铣削 ，很像 LSAM 机器 [由 Thermwood]，但更小更便宜。”

“在欧盟，船舶的建造速度正在下降，”他说。 “因为劳动力太贵，生产去中国。因此，我们正在尝试建立一种竞争方式。我们也在关注其他市场，例如汽车、航空航天和其他运输。”

船舶和建筑市场反应良好。 “我们正在做很多项目来展示机器的功能，”Logtenberg 说。 “去年秋天推出后，销售速度比我们希望的要慢。但现在进展顺利，加速项目 和机器的发展。”

针对这些新市场，CEAD 正在探索新材料。例如，它正在测试来自 SABIC 的材料的耐火性 并与火车制造商交谈 .凭借打印连续纤维的能力，CFAM 是否也可用于打印电线和/或传感器 ? “我们正在研究这个问题，”Logtenberg 说。 “我们正在与一家公司合作 嵌入钢纤维 ，这也是导电的。”

未来愿景

许多 传统复合材料行业正在质疑 3D 打印的连续纤维复合材料如何能够与传统复合材料竞争，因为它们具有如此低的纤维含量和如此高的打印层之间分层的可能性。 “当然，z 方向强度是 3D 打印复合材料最具挑战性的事情之一，”Logtenberg 表示同意。 “我们目前不与传统复合材料竞争。我们相信，未来我们将能够与传统复合材料竞争，因为我们的生产是完全自动化的，但我们还有很长的路要走。目前，它是对当前制造方法的补充，提供了灵活性以及开放式设计和生产的可能性。”

CFAM Prime 机器在2018 年。
资料来源：CEAD