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AREVO連續碳纖維復合材料3D打印,將締造展新的碳纖維3D打印生產方式

2022-05-31

美國硅谷初創公司AREVO最近的發展勢頭迅猛。2020年6月初，AREVO宣布，他們已經開始建設一個世界上最大的高速連續碳纖維增強聚合物（continuous carbon fiber reinforced polymer ，即"CFRP"）復合材料增材制造工廠，以制造即服務(manufacturing-as-a-service，MaaS)的模式來運營，規模化快速生產定制產品。連續碳纖維增強聚合物復合材料的強度重量比是鋼的60倍以上，可用于專業級自行車、一級方程式賽車和最新一代戰斗機等產品。

隨著Arevo完成第二代復合材料沉積技術升級，速度是第一代的四倍以上，計劃在一個亞洲城市中部署數百套生產系統，具備滿足客戶對大型和幾何復雜的CFRP產品快速制造需求的能力。"這將成為我過去20年里，在3D打印行業看到的，最雄心勃勃、最有趣、最有前途的應用之一。"Arevo聯合創始人兼董事長Hemant Bheda表示。

3D打印，將革新傳統碳纖維復合材料制造

碳纖維復合材料重量輕、強度重量比高，使其成為某些金屬零件和結構的理想替代品，因為它們可以降低材料成本、提高機械性能。"復合材料已經有25年以上的歷史，但其市場滲透率極低，"Hemant Bheda說。"我們認為，最重要的原因是因為其成本太高，需要手工勞動和多個步驟，以及需要很長的時間才能推向市場，通常是12到18個月。"

即使采用最先進的自動纖維貼裝(AFP)技術，復合材料制造也需要對金屬模具進行精密的數控加工、真空封裝和烘箱固化。這工藝無法應對復雜的設計，必須將幾個部件分開制造，然后手工粘合在一起，從而引入可能的人為錯誤。另外，像飛機機翼這樣的大型部件必須在烘箱中烘很長時間，消耗大量能源，Bheda說。"現在，隨著不同領域創新的融合，特別是計算能力和基于機器人的自動化，是時候對技術進行轉型升級了。"

Arevo公司利用其專利軟件算法、碳纖維材料和機器人3D打印技術，實現復合材料部件生產的制造即服務。

Bheda稱："我們的系統完全省去了手工勞動和烘箱固化的步驟，通過我們的軟件和全自動機器人3D打印機，我們可以快速制造碳纖維制品。"

連續纖維

碳纖維復合材料是由薄薄的、非常結實的碳晶絲組成的，這些碳晶絲被混在聚合物基質中；基質將纖維固定在一起，形成堅固的結構。具有很高的剛度和拉伸強度，重量輕，并具有很高的耐化學性和耐溫性。

△連續纖維3D打印機噴頭

目前，其他復合材料3D打印機，可以把由幾微米長的切碎纖維組成的長絲，嵌入熱固性塑料長絲中，實現3D打印零件。但能做出的尺寸是有限的。而Arevo的系統可以打印更大的物體，達到1立方米。

Arevo系統使用的長絲材料是由PEEK基體制成的，里面嵌入了航空級的連續碳纖維。

PEEK是一種常見的可回收塑料材料，提供比其他熱固性材料更好的機械性能。Arevo的材料直徑為1.2毫米，包含12000束平行的連續碳纖維，每條纖維的直徑為5至6微米。

在纖維長軸方向上，連續纖維使其性能比切碎纖維，有一個數量級的提升。強度是鈦的五倍，而重量只有鈦的三分之一。

設計、打印、生產

除了向客戶銷售制造的零件，Arevo還賣3D打印機。2020年2月，他們在日本賣出了第一套系統，安裝在位于東京的AGC公司，到2020年第一季度末，全球至少有4個制造工廠安裝了這樣的系統，開始制造零件，并計劃到年底在全球擁有10個客戶。

"通過我們云端軟件，成千上萬的設計師現在可以訪問它來創建以前從未實現過的零件，"Bheda說。"而且通過全球打印機網絡，他們可以按需打印他們的設計。"

△3D打印的碳纖維網球拍，強度非常高

其網絡軟件為制造復合材料提供了一個端到端的解決方案，從一個3D模型開始，軟件會進行分析，并為纖維生成一個最佳的幾何排列。"

連續碳纖維復合材料通常表現出各向異性，這意味著一些性能會根據它們沿幾何平面/軸的部位而變化，控制纖維的幾何排列結合零件需求的載荷，是非常重要的。

此外，軟件還可以通過去除材料和推薦最有效的設計來協助設計過程，以滿足零件可能遇到的實際操作條件。接著，它會計算出所需的復合材料數量，并生成使用Arevo的3D打印技術制造零件的指令。

系統還收集零件在制造過程中的數據，創建一個數字雙胞胎，精確體現零件的打印狀態。這些數據可以用于質量保證，為檢測和分析提供強大的助力。

除了在件和材料方面的突破，Arevo還開發了一種基于激光DED（即直接能量沉積）的專利3D打印工藝。

△Arevo的核心技術：DED工藝。激光束熔化剛加上去的聚合物細絲和上一層沉積打印的材料，形成液-液界面。同時，使用一個滾軸施加壓力，將層與層之間的空隙率降低到小于1％，達到消除分層橫截面的目的。其實這思路和中國武漢華中科技大學張海鷗教授的“微鑄鍛”金屬3D打印技術類似，但后者使用的金屬材料，而不是高分子聚合物

△在打印過程中，多軸自動機械臂和平臺可自由移動，實現三個以上的自由度沉積材料。通常的增材制造技術，包括堆疊2D平面材質層

DED工藝使用激光源來熔化聚合物長絲，同時也熔化之前沉積的材料，以創建一個液體到液體的界面，實現原位鞏固（ in-situ consolidation）；同時，它還施加了一個壓力，將空隙率降低到1%以下，消除了層，使截面看起來更均勻。"

這種復合3D打印工藝，實現高性能，可以初級航空航天結構上使用。

3D打印碳纖維自行車

傳統的復合材料自行車車架，需要18個月的時間來設計和投入生產；但連續纖維3D打印技術可以將時間縮減到幾周。車架制造商通過打樣試錯，建立超過20次的設計迭代。當他們確定一個設計時，就手工制造一個原型車，騎上去，然后改變設計；如此重復。然后，安排工廠來制造自行車，通常是在中國。經南極熊3D打印網查詢得知，高端自行車車架廠商，基本上都是在中國生產。

工廠制造的復合材料車架是由27到30個不同的零件手工制作而成，最后粘合在一起。而Arevo的系統，所有的設計工作，包括分析和優化，都可以通過軟件來完成的，大大降低研發成本；同時3D打印一個整體單一部件，連續纖維智能放置在車架內，提供前所未有的結構完整性和穩定性。

"如今，在生產的200萬個復合自行車車架中，99%都是中國制造的。"Arevo聯合創始人兼董事長Bheda說。"我們相信，隨著技術的進步，成本結構將發生轉變，三年后，手工制造自行車車架將被顛覆，被淘汰。"

Arevo還在研究其他一些應用，包括自行車和滑板車的車輪。用于運輸包裹的商用無人機制造商對復合材料的輕量化很感興趣，還有網球拍和溜冰鞋（用于連接金屬葉片和靴子的結構）在內的運動設備制造商。

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