總部位于瑞士蘇黎世的9T Labs開發(fā)了一種名為增材融合技術(shù)（Additive Fusion Technology，AFT）的三步制造工藝，可使用具有成本競爭力的自動(dòng)化工藝來生產(chǎn)復(fù)合材料零件。該工藝流程從使用Fibrify設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和零件分析開始，然后通過在構(gòu)建模塊中沉積單向膠帶細(xì)絲來制造連續(xù)的纖維增強(qiáng)預(yù)制件，隨后將這些預(yù)制件放置在Fusion模塊中進(jìn)行壓縮成型，最后通過固結(jié)而合并成預(yù)成型件，消除空隙，并輸出輕質(zhì)、高強(qiáng)度的形狀零件。

這種集成的工藝鏈能夠以最小的浪費(fèi)和比金屬更低的成本連續(xù)生產(chǎn)具有>60%纖維體積分?jǐn)?shù)和<1-2%空隙率的零件。根據(jù)零件尺寸的不同，單個(gè)構(gòu)建模塊和融合模塊組（均為350×270×250毫米）每年可分別生產(chǎn)多達(dá)5,000個(gè)預(yù)成型件和10,000個(gè)零件。AFT還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、精細(xì)的尺寸細(xì)節(jié)和非常精確的纖維方向控制，以實(shí)現(xiàn)承載能力、重量、制造速度和成本的定制優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 使用AFT生產(chǎn)的用于直升機(jī)門的碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（CFRTP）鉸鏈

9T Labs與瑞士西北應(yīng)用科學(xué)大學(xué)合作，研究使用AFT生產(chǎn)的用于直升機(jī)門的碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（CFRTP）鉸鏈（圖1）。其對(duì)標(biāo)產(chǎn)品是用于空客直升機(jī)（前身為歐洲直升機(jī)）EC135門的CNC加工不銹鋼鉸鏈，該鉸鏈通過四個(gè)M8尺寸的螺栓固定到旋翼機(jī)的碳纖維/環(huán)氧樹脂艙門上，設(shè)計(jì)為在門打開的情況下，能夠承受幾乎2.2千牛頓的垂直于軸承載荷的最大靜載荷（圖2）。

圖2 直升機(jī)門的金屬基準(zhǔn)件

使用現(xiàn)成的短切碳纖維CF/聚醚醚酮（PEKK）膠帶（預(yù)切至相當(dāng)于1-2K絲束）和整齊的純聚合物長絲開發(fā)并3D打印了三種AFT設(shè)計(jì)。所有三種3D制造設(shè)計(jì)都在四個(gè)螺栓孔和鉸鏈銷的主軸承孔中安裝了金屬襯套。該過程開始于使用9T Labs基于云的FiFify軟件套件，該套件可通過插件與常見的結(jié)構(gòu)分析包連接。

Fibrify設(shè)計(jì)套件是美國Ansys公司CAE/多物理場仿真環(huán)境中SpaceClaim 3D建模工具的擴(kuò)展。對(duì)于直升機(jī)門鉸鏈，第一個(gè)黑色金屬設(shè)計(jì)（圖3）從現(xiàn)有CAD文件導(dǎo)入SpaceClaim。該設(shè)計(jì)使用了與基準(zhǔn)相同的內(nèi)部和外部幾何圖形。使用Fibrify選項(xiàng)（例如帶生成器、填充線或輪廓參考、垂直分布工具等）來布置纖維路徑，以提供典型的準(zhǔn)各向異性（0°、90°、±45°）層壓板，而無需優(yōu)化利用各向異性復(fù)合材料的特性。黑色金屬部分由底部水平板的34層和垂直板的26層組成，每層厚度為0.2毫米。

圖3 黑色金屬設(shè)計(jì)

接下來的兩種設(shè)計(jì)包括第一層纖維鋪層和第二層纖維疊層（圖4），為了加快打印速度，對(duì)尺寸進(jìn)行了小范圍修改；纖維取向也得到了優(yōu)化，從而可充分利用各向異性復(fù)合材料的性能。

圖4 通過優(yōu)化進(jìn)行了第一次鋪層(左)，并在第二次疊層時(shí)添加局部加固(右)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步優(yōu)化

第一層纖維鋪層：優(yōu)化首先開始于將黑色金屬設(shè)計(jì)導(dǎo)出到Ansys中以運(yùn)行有限元分析（FEA）模擬，設(shè)計(jì)以HDF5C文件導(dǎo)出到Ansys Composite PrepPost (ACP)中進(jìn)行各向同性優(yōu)化，輸入鉸鏈邊界條件和載荷，并使用模擬結(jié)果來改進(jìn)CF/PEKK鉸鏈設(shè)計(jì)（圖5）。

圖5 為更好地利用AFT工藝，對(duì)黑色金屬的負(fù)載條件和拓?fù)溥M(jìn)行了優(yōu)化

與FEA模擬中的黑色金屬設(shè)計(jì)相比，由此產(chǎn)生的第一層纖維鋪層（圖4）將失效載荷提高了200%。故障發(fā)生在離鉸鏈銷“背面”的部分，在那里垂直板滿足水平板。

第二層纖維疊層：為了進(jìn)一步提高零件的強(qiáng)度，然后進(jìn)行了第二次優(yōu)化，添加纖維以增強(qiáng)初始失效區(qū)域；第二層纖維疊層增加了45%的破壞載荷，并將失效轉(zhuǎn)移到垂直板中的鉸鏈銷區(qū)域。因此，故障現(xiàn)在位于設(shè)計(jì)限制的幾何結(jié)構(gòu)區(qū)域，在不改變幾何結(jié)構(gòu)或零件厚度超出本項(xiàng)目允許范圍的情況下，無法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

零部件的成型與測(cè)試

第一層纖維鋪層和第二層纖維疊層設(shè)計(jì)采用多體策略，將零件分為四個(gè)子部分（圖6）。這種方法可使所有空間方向的纖維充分利用連續(xù)纖維打印的各向異性特征，使纖維與負(fù)載對(duì)齊。

圖6 使用多個(gè)打印子部件以優(yōu)化各個(gè)方向的纖維排布

這四個(gè)子部件使用9T Labs的紅色系列構(gòu)建模塊進(jìn)行打印，然后在Fusion模塊中使用機(jī)加工的鋼制匹配工具組通過壓縮成型融合在一起。需要注意的是，在350°C、45千牛頓的壓力下，僅使用6千瓦時(shí)的功率進(jìn)行壓縮成型，循環(huán)時(shí)間為20分鐘。通過進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，可以進(jìn)一步降低功耗。

然后，F(xiàn)HNW對(duì)打印和壓縮成型的AFT鉸鏈進(jìn)行了機(jī)械測(cè)試。將鉸鏈的底部水平板用螺栓固定在測(cè)壓元件中的固定金屬板上，然后將垂直力應(yīng)用到安裝在垂直板的主軸承孔中的鉸鏈銷上。每個(gè)鉸鏈都經(jīng)過試驗(yàn)而失效。

零部件的對(duì)比分析

在圖7中將優(yōu)化后的AFT鉸鏈的特性和性能與對(duì)比基準(zhǔn)樣和黑色金屬設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較。第二種纖維疊層設(shè)計(jì)的重量僅為27.5克，比基準(zhǔn)鋼構(gòu)件重量輕75%，而最大靜載荷能力從3.0千牛頓增加到6.9千牛頓，增加了200%以上。

圖7 優(yōu)化后AFT部件主要性能

通過使用Fiberify的生產(chǎn)評(píng)估工具，還對(duì)第一層纖維鋪層和第二層纖維疊層設(shè)計(jì)的成本進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)其成本是基準(zhǔn)鋼構(gòu)件的一半。每一種設(shè)計(jì)都被導(dǎo)入，然后添加參數(shù)，例如使用的材料、打印溫度、機(jī)器攤銷所生產(chǎn)的零件數(shù)量等，從而得出成本估算，并按成本構(gòu)成（材料、工藝）和子部分進(jìn)行了細(xì)分。

在隨后的一項(xiàng)研究中對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)行了研究，并以《Experimental and numerical analysis of the consolidation process for additive manufactured continuous carbon fiber-reinforced polyamide 12 composites》為題于2022年12月在線發(fā)表。使用CF/聚酰胺12 (PA12)材料再次打印并加固鉸鏈的設(shè)計(jì)，這一次是為了在紅色系列融合模塊中演示加固/成形過程的仿真模型。

該模型預(yù)測(cè)了固結(jié)部分的過程誘發(fā)變形，包括溫度、結(jié)晶和孔隙率的影響。它可以高精度地預(yù)測(cè)最終零件的成分、殘余應(yīng)力和孔隙率以及翹曲趨勢(shì)。它還實(shí)現(xiàn)了對(duì)融合模塊過程的快速模擬，減少了原型設(shè)計(jì)迭代次數(shù)。