慕尼黑吉凯恩航空航天公司和CEAD开发了采用短纤维和连续纤维的打印工具，可降低成本并提高复合材料生产的可持续性。
图片来源：GKNAerospaceDeutschland、慕尼黑工业大学LCC和CEAD
更换手工铺层BMI增强器工具。A着陆襟翼批量生产中使用的增强器工具采用短碳纤维增强热塑性塑料3D打印，用于纵梁加固CFRP下盖（工具，左上）和上盖（工具，右下），也显示在顶部脱模°C高压灭菌后的盖板（右上）。使用连续纤维（左下）的ATLAM打印头专为长度超过1.5米的工具而开发。
为了实现航空业减少排放的目标，碳纤维增强聚合物(CFRP)部件的轻量化和耐用高性能变得越来越必要。然而，一个关键的挑战是将这些材料模制成高质量的成型和集成零件（例如纵梁加固蒙皮）所需的工具。此类工具必须在数百个循环的高温成型过程中提供严格的公差，并且热膨胀要么与CFRP零件的热膨胀相匹配，要么通过补偿进行管理。
年，模具被描述为3D打印的“杀手级应用”，可显着缩短交货时间、材料成本和体力劳动。然而，3D打印工具在航空航天高温高压釜固化零件的批量生产中尚未常见。然而，年启动的一个项目由CEAD（荷兰代尔夫特）生产了17种用短碳纤维(CF)增强热塑性塑料打印的工具，这些工具已被德国慕尼黑的吉凯恩航空航天公司使用了两年多，用于批量生产适用于空客（法国图卢兹）A飞机的CFRP着陆襟翼。
该团队还包括慕尼黑工业大学（德国慕尼黑工业大学）碳复合材料(LCC)主席，并于年更进一步，推出了先进的带层增材制造(ATLAM)打印头，该打印头将连续CF带与以前使用短CF材料来实现长度超过1.5米的工具所需的较低热膨胀系数(CTE)。事实上，GKN慕尼黑的翻盖生产中使用的数十种工具长度都超过1.5米，该团队现在正在演示如何使用ATLAM进行生产。
图片由苏珊·克劳斯绘制01设计成果：用于A翻盖生产的3D打印CFRP增强工具
成本降低了50%以上，交货时间缩短了80%—消除了铝制主工具，减少了前期投资、体力劳动和材料浪费。
完全自动化的印刷和加工过程提高了准确性、质量和灵活性。
实现简单的热塑性焊接作为修复解决方案并在服务结束时回收。
02着陆襟翼增压工具
GKNAerospace（英国索利哈尔）是著名的一级发动机系统和航空结构制造商以及复合材料创新者。其位于慕尼黑的GKN德国子公司为空客A和A宽体飞机提供CFRP着陆襟翼。连接到机翼后缘的着陆襟翼在起飞和着陆期间被致动以增加机翼的表面积和弯度。
A着陆襟翼宽度为1.6米，长度为7-8米，具体取决于特定的A型号，GKN慕尼黑为左右机翼制造了CFRP纵梁加固的上盖和下盖。这些需要数十种不同尺寸的履带增强器工具，用于没有纵梁的区域，而无需制作附件。轨道增强器（见图2）跨越襟翼盖的宽度，用于连接启用襟翼轨道和跨跨加强肋的地方。
慕尼黑吉凯恩传统上使用CF/双马来酰亚胺(BMI)工具预浸料或传统环氧树脂工具预浸料手工铺敷在机加工铝母模上来制造履带增强器工具。叠层在-°C和7bar压力下分两到三个阶段进行高压釜固化，然后将外部3D曲面加工至±0.1毫米的公差。
“BMI工具的固化过程很复杂，需要热压压实[HPD]、固化和后固化周期以及双组分环氧耐磨涂层的固化周期，”项目负责人和研发人员FrankStrachauer说道慕尼黑GKN工程师。“这些工具的材料和生产成本很高，而且制造周期很长。该过程成本高昂，需要大量的人工时间，包括大量的装袋手工工作，而且还消耗大量的辅助材料。交货时间也相当长——制造时间长达几周，加上提前生产金属主工具至少需要3个月的时间。”
“3D打印提供了更高效的数字化生产，”他继续说道。“这将是增强器的一种新的创新方法，有可能大大减少交货时间和成本。它还将简化模具的整个工艺流程，提高我们的生产灵活性，并实现生产废物的回收，并最终实现工具本身的回收。”吉凯恩的客户空中客车公司一直是开发该技术的项目的联合合作伙伴。
03开发3D打印方法
CEAD是基于挤压的大幅面增材制造领域的先驱。该公司成立于年，于年开始开发连续纤维。到年，该公司已将其独立机器人挤出机、基于龙门的4×2×1.5米连续纤维增材制造(CFAM)Prime机器和六轴机器人商业化柔性机器人。该公司到年为Flexbot增加了铣削功能，并于年宣布与Belotti（意大利Suisio）就超大型CNC系统建立合作伙伴关系。
为了开始开发增强器工具的3D打印工艺，GKN慕尼黑与CEAD合作进行了一长串打印材料测试，以评估强度、热膨胀和疲劳、可加工性、真空密封性、可修复性等。他们选择了短CF/聚醚砜(PESU）的玻璃化转变温度(Tg)高于°C，因此与CFRP着陆襟翼盖的°C固化航空航天级环氧预浸料兼容。
下一步是设计打印部件。“对于第一套原型工具，我们使用的是最小的机器，”CEAD首席技术官兼联合创始人MaartenLogtenberg说道。“因此，团队选择打印全套履带增强器，因为其尺寸高达0.6×1.6米。”这些工具的最终加工厚度为6-10毫米，并包括接合部，以匹配每个襟翼蒙皮中的层板坡道和坡道。
CEAD设计的打印零件结合了左右翼工具，然后将其分成两半并加工至最终的表面质量和尺寸。
“然后我们进入了这种开发周期，想出如何以高成功率的方式打印所有不同的增强器，”Logtenberg说。“我们设计的打印部件将左手[LH]和右手[RH]翼工具组合在相同的复杂形状、闭合轮廓中，从而实现连续打印。”八个打印部件生产了所有四个增强器——端肋、肋1、轨道1和轨道2——用于左右机翼的上下襟翼盖。打印后，封闭轮廓零件被分成两半，然后进行机加工。
照片来源：CEAD照片来源：CEAD图1.印刷珠、机加工工具。CEAD软件可以对打印珠（灰色）和最终加工零件（绿色）进行建模，以验证是否有足够的材料可将打印零件加工成生产工具所需的最终表面和尺寸
打印的零件尺寸稍大，确保加工达到最终表面质量和公差所需的额外材料。CEAD软件工程师JasperKleinMentink解释说：“我们能够改进切片和打印模拟软件，以便能够将任何表面偏移一定量，然后查看打印珠的模型以及最终部件[如图。1]。通过这种方式，我们可以精确验证是否有足够的材料需要去除以达到最终产品的尺寸。该软件可以快速迭代设计，帮助我们确保打印“一次成功”，从而节省大量时间和材料。此外，打印的珠子模型可以导入CAM软件以辅助铣削过程。”
“最初一套增强器工具的3D打印过程非常快，”Logtenberg说，“八个部件中的每个部件都需要到分钟，具体取决于其尺寸和复杂性。然而，铣削是一个挑战，因为我们当时没有内部能力，不得不依赖外部公司。但它成功了，我们成功完成了第一套完整的原型增压器。”
我们也吸取了重要的教训。“在第一组履带增强器的生产过程中，很明显，印刷过程和后续加工会因内应力而导致材料变形，”Strachauer说。“这可以通过打印足够大的尺寸来解决，以消除加工中的残余变形。此外，铣削刀具、铣削参数以及正确选择和适应零件的铣削策略对于实现刀具精确的尺寸精度也起着决定性作用。”
04经过验证的过程、结果
GKN慕尼黑公司于年中期使用这套3D打印履带增强器工具生产全尺寸的测试盖板。由此产生的CFRP零件通过了所有必需的质量检查，包括微观空隙分析和超声波检查，以验证层压板的厚度和质量。
照片来源：GKNDeutschland数字。2.从事热压罐零部件生产工作两年。此处所示的合格3D打印履带增强器工具在高压灭菌器固化后从襟翼下盖脱模，并于年初开始应用于GKN慕尼黑着陆襟翼的批量生产。
在完成3D打印增压器工具的鉴定后，吉凯恩于年初将其应用于A着陆襟翼的批量生产中（图2）。这些工具现已使用两年多了。
“这对于这个行业来说是开创性的，”斯特拉豪尔说。“与以前的工具相比，我们能够显着降低成本并缩短交货时间。我们还消除了对主工具、高压釜固化和手动铺层的需求。由于完全自动化的打印和加工过程，3D打印的增强器工具显示出更高的精度和质量。”他还指出，它们的热塑性结构可以实现以前基于热固性材料的系统无法实现的修复和回收选项。
然而，3D打印工具在某一方面存在不足。“我们与GKN和慕尼黑工业大学在热膨胀方面进行了大量研究，”Logtenberg说道，“我们发现，在长度达到大约1.5米的情况下，您可以在不使用任何连续纤维的情况下打印模具-因此，只需挤出短纤维增强颗粒。但对于长度超过1.5米的工具，CTE太大，并且很难补偿热膨胀。”请注意，GKN慕尼黑用于生产外侧着陆襟翼的工具中，80%以上的长度都超过1.5米。
05下一步：连续纤维
“我们知道可以通过使用连续纤维来降低CTE，”Logtenberg说道，“而且我们已经在通过CFAM技术进行连续纤维打印方面积累了丰富的经验。”CFAM在3D打印喷嘴内结合了短切纤维和连续纤维材料。“因此，我们的第一个更长工具的原型也是基于此。但由于热塑性塑料需要承受高压釜固化的高加工温度以及连续碳纤维的高模量，因此很难以航空航天工具所需的质量和可靠性实现材料的正确浸渍。”
尽管CEAD对连续纤维单向(UD)带和短纤维颗粒使用相同的基质材料，但每种材料的最佳加工条件是不同的。“例如，您可能处于基质所需的温度范围内，但胶带会太软，而挤出材料的温度不够高，”Logtenberg解释道。“我们一直在努力解决如何管理流程的问题。最后，我们提出了分离材料过程的想法。当我们移动打印头时，它们仍然结合在一起，但我们首先挤出短纤维层，然后紧接着挤出带有连续纤维的预浸渍胶带。这使我们能够完全控制胶带的加工以及短纤维材料的挤出。”这就是ATLAM工艺和打印头。
“一旦我们能够证明可行性，吉凯恩就建立了一个公共资助的研究项目，”Logtenberg说。慕尼黑工业大学也参与其中，开展热膨胀、层压板质量和空隙方面的研究。加工技术公司Hufschmied（德国博宾根）也参与其中，探索如何加工打印的原始零件。
年，GKN慕尼黑和CEAD提交了专利申请，在年进一步完善设备，并于年初打印了第一个概念验证工具零件。“这一开发花了两年时间，”Logtenberg说，“但我们终于成功了采用可靠的工艺，使大型热压罐工具具有足够低的CTE。”Strachauer进一步详细介绍：“它在打印方向上接近Invar，并且与BMI模具预浸料相比具有相同的值。”
图3.ATLAM用于较低CTE、较长的打印工具。ATLAM工艺和打印头挤出短纤维热塑性材料，然后立即挤出连续纤维带，实现足够低的CTE，使热压罐固化工具的长度超过1.5米。这里展示的是GKN慕尼黑U型增压器工具的第一个2.2米长部件，由慕尼黑工业大学使用ATLAM3D打印而成。图片来源：GKN德国、慕尼黑工业大学LCC。
Logtenberg表示，CEAD在年JECWorld（4月25日至27日，法国巴黎）上正式推出了ATLAM，并展示了第三代ATLAM打印头。“每次迭代都代表着重大改进，我们将继续推进技术。我们设计了带有传感器和控制功能的ATLAM，慕尼黑工业大学使用它来测量工艺参数对成品印刷CTE、模量、空隙等的影响。他们希望确定各种材料选择的最佳工艺参数。与此同时，我们正在将ATLAM安装在我们的下一代内部机器人上，以便我们可以开始生产样品零件。”
06未来的工具、挑战、市场
接下来的印刷品是否会包括GKN慕尼黑的一些较长的增强器工具？“我们现在正在努力解决这个问题，”洛滕伯格说。还有其他选择。例如，AirtechInternational（美国加利福尼亚州亨廷顿海滩）正在将3D打印大型工具作为其未来工具(TOT)业务的一部分。该公司在田纳西州斯普林菲尔德和欧洲卢森堡拥有专门的3D打印设施，作为其通过其技术专长和Dahltram3D打印树脂推进增材制造复合材料的愿景的一部分。
“我们已经在讨论如何继续加强与Airtech的合作，”Logtenberg说道，“因为我们使用了大量他们的3D打印树脂，这些材料在我们的机器中运行良好。”
“我们还在寻找两三个其他研究合作伙伴来实施ATLAM，”他补充道，“因为还需要更多的研究。这个市场很难被新技术采用并充分利用。因此，重要的是要展示ATLAM可以做什么，使用各种材料以及短纤维和连续纤维层的组合，探索可以实现的可能解决方案。我们仍然有一些挑战需要解决，例如用于编程刀具路径的软件，因为ATLAM与目前的任何产品都完全不同。”
对于GKN慕尼黑来说，3D打印的履带增强器工具和即将推出的连续纤维打印的U型增强器代表了其纤维增强热塑性复合材料增材制造路线图的两个阶段。“这只是吉凯恩航空航天公司用于结构复合材料部件高温高压釜固化的3D打印模具新时代的开始，”Strachauer说道。“随着我们转向开发用连续纤维打印的结构部件，我们还将考虑生产叠层工具并扩展到其他系列的工具。吉凯恩航空航天公司的增材制造——涵盖发动机和航空结构技术——一直在不断扩展，以开辟新的应用和新的市场。”
洛滕伯格对此表示同意。“增材制造将每年变得更好、更成熟，正如我们看到的那样，Airtech等公司的新支持和材料以及软件的新开发将实现新的功能。我认为我们与GKN慕尼黑和慕尼黑工业大学所做的工作帮助我们脱颖而出，并使我们能够帮助创造此类新技术。我们正在不断成长，增材制造复合材料的市场也在不断增长——我们每天都会了解新的应用，并看到它们为未来带来的机遇。”