美國賽姆伍德Thermwood公司,是一家總部位于美國的跨國多元化數(shù)控機械制造商,通過在 11 個國家/地區(qū)的辦事處銷售其產(chǎn)品和服務(wù)。

近日，Thermwood公司開發(fā)了一種大型增減材制造設(shè)備LSAM，并在現(xiàn)場成功打印出可用于航空航天復(fù)合材料成型的工裝模具，向公眾展示了其低成本快速響應(yīng)復(fù)材制造的能力。

作為大型零件増材制造商，Thermwood開發(fā)了一種近凈成形制造零件的方法，首先采用高速3D打印出尺寸比所需零件稍大的尺寸，然后裁剪到最終尺寸和形狀。2017年，該公司與海軍空中系統(tǒng)司令部的東部艦隊備戰(zhàn)中心簽署了正式合作研究和開發(fā)協(xié)議，以合作開發(fā)大尺寸増材制造技術(shù)。

2019年，Thermwood與美國空軍研究實驗室(AFRL)和波音公司合作開展研究項目——利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)低成本快速響應(yīng)模具，波音公司奧本工廠還擁有一臺Thermwood大型聚合物增材制造系統(tǒng)，其具有6m的打印床，可以打印寬3m、長6m、高5 1.5m的零件。2021年，普渡大學(xué)建立了用于大規(guī)模3D打印的Thermwood LSAM研究實驗室。

LSAM復(fù)合材料增減材設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)

LSAM是大型熱塑性復(fù)合材料增減材制造設(shè)備，其標(biāo)準(zhǔn)型號配有固定的工作臺以及可移動龍門架，在龍門架上安裝有擠出式3D打印頭和傳統(tǒng)銑削頭，使零件在同一設(shè)備上即可完成增減材制造，避免重新固定零件造成的誤差。

LSAM 1540設(shè)備具有雙龍門結(jié)構(gòu)（工作臺尺寸15英尺×40英尺，4.5m×12m）

LSAM使用兩步法的“近凈成形”生產(chǎn)工藝。首先高速打印出比所需尺寸稍大的零件，然后通過精加工修整到最終尺寸和形狀。這是3D 打印大型結(jié)構(gòu)最快、最有效的方法。使用LSAM設(shè)備，可以在同一臺機器上完成打印和精加工。若采用雙龍門結(jié)構(gòu)，可以在工作臺的兩端同時進(jìn)行一個零件3D打印和另一個零件的銑削加工，從而進(jìn)一步提高效率。

LSAM設(shè)備幾乎可以加工任何熱塑性復(fù)合材料零件，包括高溫材料，如包括需在高溫條件下成型的PSU、PESU 和 PEI等，這些材料非常適合必須在高溫下條件下的模具和工具。系統(tǒng)集成了用于干燥和輸送聚合物材料的液體冷卻系統(tǒng)，以保持對重要系統(tǒng)的溫度控制，這對加工高溫材料尤為重要，因此能夠生產(chǎn)高質(zhì)量、完全融合的產(chǎn)品。這些材料也主要用于生產(chǎn)模具和工具，大部分用于航空航天和工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。

LSAM對兩個零件分別進(jìn)行3D打印和銑削加工

LSAM的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾方面

一是先進(jìn)的打印系統(tǒng)設(shè)計。其打印頭擠出機的大部分熱量來自加熱的機筒而不是螺桿旋轉(zhuǎn)與打印材料產(chǎn)生的摩擦，與傳統(tǒng)設(shè)計相比加熱更為均勻且不需要更換螺桿來加工不同的復(fù)合材料；打印頭使用特殊合金可支持高達(dá)450°C的加工溫度；聚合物熔體泵由伺服驅(qū)動控制流量，形成均勻輸出；其獨特設(shè)計的壓輪可實現(xiàn)打印層間無空隙，零件底部打印到特制粘板上，可消除冷卻應(yīng)力和零件翹曲。

螺桿擠出機

二是強大的控制系統(tǒng)。LSAM集成了一個控制系統(tǒng)，能夠監(jiān)控和調(diào)整實時溫度，自動處理擠出和打印速度。當(dāng)加載材料配置文件時，該聚合物的所有參數(shù)，如區(qū)域溫度和壓力限制都會自動設(shè)置；控制系統(tǒng)還能自動將熔體泵的輸出與機器運動速度同步，確保尺寸絕對精確，無論機器加速還是減速運行；

溫控壓輪圖

三是適用于大型零件增材制造的工藝軟件。具有拐角回拉補償?shù)裙δ?，可實現(xiàn)復(fù)雜零件編程并根據(jù)LSAM設(shè)備的打印特性進(jìn)行自動調(diào)整。

特制粘板

LSAM獨特的打印系統(tǒng)可生產(chǎn)高強度、完全融合、真空密封且?guī)缀鯚o空隙的零件。它不是實驗室或演示機器，而是一個成熟的工業(yè)增材制造系統(tǒng)，完全能夠用于生產(chǎn)大型組件。

波音驗證LSAM可行性

波音研究與技術(shù)實驗室與Thermwood公司合作完成了一項由美國海軍資助的項目，內(nèi)容為應(yīng)用大幅面增材制造工藝試制可適用于熱壓罐工藝的復(fù)合材料工裝，驗證其作為低成本、快速制造方式替代傳統(tǒng)工裝制造方法的可行性。所制造的熱壓罐需要足夠耐用，能夠承受180℃和586Kpa的多次固化循環(huán)。

熱壓罐的尺寸約為1m x1m x 0.4m，波音公司采用LSAM1020設(shè)備和由碳纖維增強的PESU材料來進(jìn)行零件打印，最紅使用277kg的材料，用時7小時26分鐘完成打印，并更換銑削頭在53小時內(nèi)完成最終加工，工裝尺寸和表面質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計要求。經(jīng)過多次熱壓罐工藝循環(huán)試驗，工裝的真空保持性、尺寸穩(wěn)定性以及高溫耐久性均可滿足要求。該項目證明了LSAM設(shè)備在單一平臺上進(jìn)行增減材制造用于復(fù)合材料工裝的能力，與傳統(tǒng)制造方法相比，可節(jié)省約50%的成本，并將制造周期縮短65%。

LSAM設(shè)備打印可適用于熱壓罐工藝的復(fù)合材料工裝

此外，Thermwood還層利用垂直層打?。╒LP）專利技術(shù)成功打印出一個3.6米長的波音777x的修整工裝，增減材制造總耗時約43小時，驗證了LSAM設(shè)備的大尺寸低成本快速制造能力。在波音公司奧本工廠，還安裝了一臺具有6m的打印床的Thermwood大型聚合物增材制造系統(tǒng)。

波音777x的修整工裝

復(fù)合材料制造是未來平臺的一項戰(zhàn)略技術(shù)，開發(fā)更具成本效益的工具解決方案將大大有利于生產(chǎn)制造。Thermwood憑借其3D打印的專利技術(shù)以及增減材一體的設(shè)計思路，提供了在一臺設(shè)備上完成零件3D打印與精銑的能力，具有低成本和短周期的制造優(yōu)勢。憑借與此，該公司開發(fā)了當(dāng)今行業(yè)中最大的復(fù)合熱塑性增材制造系統(tǒng)，在航空航天、軍事和國防、海洋與造船等行業(yè)獲得應(yīng)用。（來源：增材制造技術(shù)前沿）