瑞士9T Labs開(kāi)發(fā)了一種包含 3 步制造工藝流程的增材融合技術(shù) ( Additive Fusion Technology，AFT) ，并使用該技術(shù)制造了碳纖維/PEKK增強(qiáng)的3D打印直升機(jī)艙門(mén)鉸鏈。另外，與傳統(tǒng)連續(xù)復(fù)合材料增材制造不同的是，3D打印制成的預(yù)成型體需要進(jìn)一步放入模具中熱壓成型，以消除孔隙，得到輕質(zhì)高強(qiáng)的零件。由下圖可以看出，未經(jīng)熱壓處理的3D打印結(jié)構(gòu)孔隙率高于10%，熱壓處理后可小于1%。

這種集成的工藝鏈能夠批量生產(chǎn)纖維體積分?jǐn)?shù)>60%、空隙率<1%~2%的零件，并且浪費(fèi)最少，成本比金屬更低。AFT 能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜、精細(xì)的細(xì)節(jié)以及非常精確的纖維路徑控制，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的定制設(shè)計(jì)，達(dá)到優(yōu)化承載能力、重量、制造速度和成本的目標(biāo)。

加溫加壓前后的孔隙率對(duì)比

該項(xiàng)研究對(duì)空客EC135直升機(jī)艙門(mén)鉸鏈接頭進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，原始方案為不銹鋼金屬結(jié)構(gòu)，通過(guò)4個(gè)M8螺栓與飛機(jī)本體連接，該接頭承受的最大靜載荷為2.2kN。原金屬方案的承載能力為3kN。

金屬對(duì)照方案，不銹鋼零件，尺寸為 112 × 42 ×22.5mm

此前，瑞士和法國(guó)的一個(gè)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)采用短切碳纖維 (CF)/聚醚醚酮 (PEEK) 模壓工藝對(duì)該方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，承載能力達(dá)到了4.2 kN。

短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料模壓方案

當(dāng)前9T Labs設(shè)計(jì)了3種連續(xù)碳纖維（CF）/聚醚酮酮 (PEKK) 3D打印方案，將單向帶劈分為1-2K 絲束與聚合物長(zhǎng)絲一起打印。四個(gè)螺栓孔內(nèi)加入了金屬襯套。

第一種3D打印方案是采用準(zhǔn)各向同性方案（黑金屬方案），即0/90/±45鋪層比例為1:1:2，底板和立筋分別由34層和26層組成，每層厚度為0.2毫米。

“黑金屬”方案——準(zhǔn)各向同性復(fù)合材料方案

第二種3D打印方案是根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的傳力路徑對(duì)纖維取向進(jìn)行了優(yōu)化，以充分利用各向異性復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性。與黑金屬設(shè)計(jì)相比，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)將失效載荷提高了200%。

為了進(jìn)一步提高零件的強(qiáng)度，研究人員進(jìn)行了第二次優(yōu)化，在初始失效區(qū)域增加纖維對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行增強(qiáng)。 第三種新方案使失效載荷又增加了 45%，并將失效區(qū)域轉(zhuǎn)移到垂直板的鉸鏈銷(xiāo)區(qū)域。

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

按照拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果設(shè)置打印路徑及局部增強(qiáng)

兩種3D打印改進(jìn)設(shè)計(jì)是使用多體策略生產(chǎn)，將零件分為四個(gè)子部分（下圖所示）。這種方法允許所有空間方向上的纖維充分利用連續(xù)纖維打印的各向異性特征，使纖維方向與承載方向?qū)R。四個(gè)子部件在鋼模具套件中通過(guò)壓縮成型融合在一起。成型溫度 350°C，壓力45 千牛，固化時(shí)長(zhǎng)20 分鐘。

子部件劃分及3D打印

原金屬方案：重量為135g，承載3.0kN；

短切纖維方案：重量約21g，承載4.2kN；

準(zhǔn)各向同性3D打印方案：重量20g，承載1.6kN（該數(shù)據(jù)感覺(jué)有些異常）；

拓?fù)鋬?yōu)化后3D打印方案：重量25g，承載4.8kN；

二次優(yōu)化后3D打印方案：重量27.5g，承載6.9kN；

最終的連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印優(yōu)化方案比原金屬方案重量減輕了輕 75%，同時(shí)最大承載能力提升了超過(guò) 200%。

重量及承載能力對(duì)比

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參考文獻(xiàn)：

Zhilyaev I, Grieder S, Küng M, Brauner C, Akermann M, Bosshard J, Inderkum P, Francisco J and Eichenhofer M (2022) Experimental and numerical analysis of the consolidation process for additive manufactured continuous carbon fiber-reinforced polyamide 12 composites. Front. Mater. 9:1068261. doi: 10.3389/fmats.2022.1068261

Nicolas Eguemann, L. Giger, M. Roux, C. Dransfeld, Frédéric Thiebaud, et al.. Compression moulding of complex parts for the aerospace with discontinuous novel and recycled thermoplastic composite materials. 19th International Conference on Composite Materials, Jan 2013, France. pp.1 - 11.