隨著3D 打印材料的進(jìn)步，它們的應(yīng)用也在進(jìn)步。幾年前，以聚合物或復(fù)合材料3D 打印部件代替金屬部件聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)直是天方夜譚。因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)候，3D 打印品是由薄弱的材料和脆弱的結(jié)構(gòu)制成，僅適合用作可以外觀的原型。但現(xiàn)時(shí)已經(jīng)不同了，幾乎每種類型的3D 打印機(jī)都可以打印更堅(jiān)固的材料，這引發(fā)了制造業(yè)的一場(chǎng) “小革命”。如今，人們正在考慮將打印出來(lái)的零件用于實(shí)際機(jī)械運(yùn)作上，而不只是限于過(guò)去的外觀原型設(shè)計(jì)上。

　　3D打印機(jī)的技術(shù)已逐漸得到改進(jìn)，使打印出來(lái)的成品質(zhì)素大大提高，這是能滿足傳統(tǒng)制造零件強(qiáng)度重要的一環(huán)。隨著3D打印技術(shù)愈趨成熟，全球企業(yè)現(xiàn)正探索將3D打印技術(shù)套用于機(jī)械運(yùn)作零件上的可能性。如果單位數(shù)量足夠，但數(shù)量不過(guò)多，這將允許企業(yè)以較低廉的生產(chǎn)成本制作更複雜的零件或幾何形狀。金屬3D 打印也是可行的，但它是迄今為止最昂貴的3D 打印類型，因?yàn)樗枰嘿F的設(shè)備、設(shè)施、后處理設(shè)備、材料和專家人員等。所以，一般如需維持單一使用金屬零件，大部分用戶還是會(huì)選擇直接使用金屬鑄造。但若設(shè)計(jì)中部分零件能使用替代品，聚合物和復(fù)合材料3D 打印將會(huì)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

　　PEEK 等高性能聚合物以及含碳纖維和陶瓷纖維的復(fù)合材料具有與金屬相似的溫度、機(jī)械和化學(xué)電阻，許多行業(yè)已發(fā)現(xiàn)其性能符合某些應(yīng)用的要求。但這些材料的極限是什么？行業(yè)仍在努力找出用3D 打印的超級(jí)聚合物和復(fù)合材料取代傳統(tǒng)制造金屬部件的界限。

　　生產(chǎn)教練機(jī)及其功能性部件

　　Werco Manufacturing 是俄克拉何馬州Broken Arrow 的一家航空航天和國(guó)防制造商，也是一家正在探索這個(gè)問(wèn)題的公司。2020 年，該公司在其制造能力中增加了兩臺(tái)Roboze Argo 500 3D打印機(jī)，其中還包括鈑金制造、焊接、數(shù)控加工和零件精加工。該公司的大部分業(yè)務(wù)（約70%）來(lái)自軍方，其余業(yè)務(wù)則來(lái)自于商業(yè)航空公司。

　　Werco不僅為航空航天和國(guó)防制造最終用途零件，還專門制造用于維護(hù)和程序培訓(xùn)的飛機(jī)訓(xùn)練設(shè)備（“教練機(jī)”）。 Werco 首席運(yùn)營(yíng)官Andy Bartovick 解釋說(shuō)：“這些教練機(jī)可能非常龐大和復(fù)雜，或者像幾個(gè)零件組裝一樣簡(jiǎn)單?？蛻舾嬖VWerco 最終產(chǎn)品需要包括哪些任務(wù)，以及它需要低保真、中保真還是高保真，然后我們根據(jù)這些要求來(lái)生產(chǎn)教練機(jī)。”

　　高保真的教練機(jī)需要盡可能在性能、外觀等方面接近實(shí)際飛機(jī)，它們通常使用回收的飛機(jī)零件制成。但是，能夠回收的飛機(jī)零件越來(lái)越少。

　　Bartovick 指出，空軍正在想盡辦法延長(zhǎng)飛機(jī)的生命周期，目前有兩三架飛機(jī)本應(yīng)在幾年后退役，但空軍已經(jīng)將這些飛機(jī)的壽命又延長(zhǎng)了10 年、15 年或更長(zhǎng)時(shí)間。但即便當(dāng)它們達(dá)到壽命，在終于能被回收之前，軍方通常還會(huì)拿走其中能用的零部件，并通過(guò)MRO 流程將這些零件重新使用，所以最后真正能回收的零件通常是不可用的，商用飛機(jī)也是如此，而且當(dāng)進(jìn)行回收時(shí)，還要冒著延長(zhǎng)交貨時(shí)間的風(fēng)險(xiǎn)。

　　3D 打印很適合替換回收的零件，因?yàn)檫@項(xiàng)工作體積小，而且是一次性、不需要批量化的生產(chǎn)。且不再需要進(jìn)行回收、改造、制造等環(huán)節(jié)，大大提高了制造效率。

　　該公司還沒(méi)有準(zhǔn)備好投資金屬3D打印系統(tǒng)，但它需要一種方法來(lái)生產(chǎn)與金屬相似的部件。Bartovick指出，教練機(jī)的功能性部件會(huì)經(jīng)歷大量的磨損，傳統(tǒng)聚合物在這類應(yīng)用中不夠耐用，但高性能聚合物（如PEEK）和復(fù)合材料（如碳纖維PEEK）卻足夠耐用。高性能聚合物材料不僅能夠應(yīng)用在生活領(lǐng)域中，還可以應(yīng)用在飛機(jī)零件上。Roboze打印機(jī)的最大亮點(diǎn)就是能夠使用這些高性能材料進(jìn)行零件制造，可以說(shuō)Roboze Argo 500為使用高性能材料而生，它具有可以加熱功的打印室和打印板，以及長(zhǎng)絲干燥和預(yù)熱系統(tǒng)，確保用戶可以準(zhǔn)確一致地打印高性能聚合物和復(fù)合材料。

　　更好、更快、更強(qiáng)

　　Werco 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了使用更強(qiáng)的高性能材料如PEEK 和碳纖維PEEK 的許多好處。首先，碳纖維PEEK 部件可以通過(guò)車床或銑床進(jìn)行機(jī)械加工。與手工打磨相比，機(jī)械加工是一種更快更容易完成零件的方法。該公司還用3D 打印的機(jī)器零件來(lái)移除支撐、減小誤差，使它們更接近回收零件的領(lǐng)域。根據(jù)公司的說(shuō)法，只要3D 打印部件可以固定并且是實(shí)心或接近實(shí)心的，加工它就像加工金屬部件一樣方便。

　　這些材料也比傳統(tǒng)的聚合物部件更容易上漆和粉末涂層。3D 打印零件的噴漆工藝與金屬零件相同，但車間在將ABS 和PLA 等傳統(tǒng)材料放入加熱的噴漆房時(shí)需要小心。PEEK 和碳纖維 PEEK 的耐熱性足夠高，完全不用擔(dān)心噴漆室溫度過(guò)高的問(wèn)題。高耐熱性以及保持負(fù)電荷的能力還允許碳PEEK 進(jìn)行粉末涂層。

　　經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)

　　現(xiàn)在，Werco 擁有這種機(jī)器已經(jīng)快兩年了，Bartovick 說(shuō)，他們已經(jīng)學(xué)到了一些關(guān)于3D 打印高性能材料的重要經(jīng)驗(yàn)。首先，回歸現(xiàn)實(shí)，引進(jìn)了標(biāo)準(zhǔn)的ABS 和PLA。事實(shí)上，Argo 可以打印傳統(tǒng)的和高性能的纖維是一個(gè)額外的獎(jiǎng)勵(lì)，因?yàn)闄C(jī)器沒(méi)有一個(gè)封閉的材料生態(tài)系統(tǒng)，可以從許多來(lái)源獲得標(biāo)準(zhǔn)的纖維。估計(jì)，該公司60% 的3D 打印工作是碳纖維PEEK，其余40% 平均分配給普通PEEK 和ABS。

　　由于大部分零件都是用高性能材料打印的，Werco 會(huì)根據(jù)線軸上剩余的材料量組織生產(chǎn)。Bartovick 指出，這些高性能細(xì)絲材料價(jià)格并不便宜，因此不希望出現(xiàn)一個(gè)卷筒沒(méi)有足夠的絲材而另一個(gè)卷筒還有剩余的絲材的情況。“我們肯定會(huì)努力通過(guò)卷上的絲量來(lái)衡量零件的運(yùn)行情況。”他指出，在一卷上留下20英尺的碳纖維PEEK絲并不是“大事”，但隨著時(shí)間的推移，就會(huì)造成成本的增加。

　　Roboze正在開(kāi)發(fā)軟件，使用戶在不影響部件打印的情況下切換中間細(xì)絲卷， Werco也正在努力尋找一種方法，將較小的纖維融合在一起并重新纏繞它們。

　　未來(lái)機(jī)遇與挑戰(zhàn)

　　Bartovick 表示，由于目前制造最終用途零件、內(nèi)部工具產(chǎn)品和原型/ 測(cè)試零件的任務(wù)量巨大，Werco 幾乎每天都在運(yùn)行這兩臺(tái)3D 打印機(jī)。所以Werco 正在考慮使用Roboze Argo 1000（打印體積為：1,000 × 1,000 × 1,000 mm）來(lái)打印更大的零件。制造中心可以直接制造大尺寸零件，而不必打印較小的零件，通過(guò)組裝和涂漆獲得尺寸更大的零件。該公司還期待與來(lái)自 Roboze 的新型高性能材料合作，包括由切碎的陶瓷纖維加強(qiáng)的Helios PEEK 2005。這種材料將具有更高的熱性能，由于其更好的表面光潔度，可能需要更少的后處理。

　　Werco 希望能將在教練機(jī)3D 打印方面的成功轉(zhuǎn)化為實(shí)際飛機(jī)上的3D 打印。Bartovick 認(rèn)為，碳纖維PEEK 具有優(yōu)異的耐機(jī)械沖擊性、耐熱性和耐化學(xué)性，可代替金屬部件。這些零件可以進(jìn)行機(jī)加工以確保嚴(yán)格的精度，并像金屬零件一樣涂漆或涂層。他還指出，碳纖維PEEK 零件比3D 打印金屬零件需要更少的后處理。

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