無(wú)人機(jī)上的復(fù)合材料用量屢創(chuàng)新高，甚至已經(jīng)出現(xiàn)了極光飛行科學(xué)公司全復(fù)合材料增材制造（3D打印）噴氣無(wú)人機(jī)，然而，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)上是一個(gè)需要忍受長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期的過(guò)程，這對(duì)于需要快速創(chuàng)新的無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)不是好事。不過(guò)近幾年，一種可以使得諸如碳纖維／聚醚醚酮（PEEK）零件開(kāi)發(fā)周期縮短30倍的新技術(shù)已經(jīng)面世——連續(xù)纖維3D打印技術(shù)。連續(xù)纖維3D打印技術(shù)正在隨著3D打印機(jī)的創(chuàng)新而迅速崛起，它即可以用于大批量生產(chǎn)復(fù)合材料零件，也可以打印特別有挑戰(zhàn)性的特征，比如高度復(fù)雜的幾何形狀或者需要極其精密制造的關(guān)重特性。該技術(shù)的成熟，對(duì)于小型復(fù)合材料無(wú)人機(jī)、低成本復(fù)合材料無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)等應(yīng)用的高效批產(chǎn)將是一個(gè)福音。本文將介紹一些最新的連續(xù)纖維3D打印技術(shù)。

美國(guó)極光科學(xué)飛行公司全3D打印噴氣無(wú)人機(jī)

一、面向大批量生產(chǎn)的連續(xù)纖維3D打印技術(shù)

空客資本公司投資了Arevo公司的連續(xù)纖維3D打印技術(shù)，該公司開(kāi)發(fā)的直接能量沉積（DED）工藝，可以將熱塑性預(yù)浸絲束打印成零件。DED工作單元由工業(yè)機(jī)器人、激光加熱打印頭和旋轉(zhuǎn)構(gòu)建平臺(tái)組成，與以往的連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印相比，能夠?qū)⑸a(chǎn)速度提高100倍。除了航空零件，Arevo的明星產(chǎn)品是與無(wú)人機(jī)框架結(jié)構(gòu)類似的自行車車架，連續(xù)纖維3D打印技術(shù)使其開(kāi)發(fā)周期從18個(gè)月縮短到了18天。Arevo于2019年2月啟動(dòng)的新工廠擁有八個(gè)機(jī)器人工作單元，每個(gè)都能夠每天生產(chǎn)一個(gè)車架，包括打印本身以及后處理（例如，鉆孔）和用于噴涂的預(yù)打磨。在生產(chǎn)的第一年內(nèi)，生產(chǎn)速度還將提高三倍，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Arevo正在努力實(shí)現(xiàn)“并行化”，即每個(gè)機(jī)器人運(yùn)行多個(gè)打印頭和/或每個(gè)工作單元運(yùn)行多個(gè)機(jī)器人。

Arevo還在研究更大的給料（大型絲束），以求在速度和精度間取得平衡——使用小型絲束獲得特征豐富的復(fù)雜外形，但是工藝周期較慢；使用大型絲束有更高的生產(chǎn)速度，但是有轉(zhuǎn)向限制。為了在整個(gè)提速過(guò)程中保持質(zhì)量和可重復(fù)性，Arevo應(yīng)用了原位檢測(cè)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，以實(shí)時(shí)控制過(guò)程參數(shù)。打印機(jī)配有多個(gè)傳感器（測(cè)量高度、壓力、變形等），系統(tǒng)軟件使用這些傳感器的數(shù)據(jù)根據(jù)需要調(diào)整工藝參數(shù)。這樣，當(dāng)更快地運(yùn)行機(jī)器人時(shí)，就可以確保沉積速率、加熱、固化和其他參數(shù)與基線匹配。Arevo構(gòu)建了一個(gè)工藝的數(shù)字化模型，然后進(jìn)行迭代和改進(jìn)，現(xiàn)在已經(jīng)得到了許多熱塑性塑料的許用值和工藝數(shù)據(jù)。

軌道復(fù)合材料公司也在致力于通過(guò)連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印工藝進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，公司的模塊化機(jī)器人打印機(jī)專為最終產(chǎn)品的需求而設(shè)計(jì)，可以有很大差異。與Arevo的技術(shù)一樣，軌道公司的模塊化同軸擠出末端執(zhí)行器、并聯(lián)機(jī)器人和非熱壓罐工藝的生產(chǎn)速度比以往的連續(xù)纖維增強(qiáng)增材制造速度快100倍。擠出噴嘴通過(guò)其中心孔供給基體材料，通過(guò)周圍的環(huán)形噴嘴供給纖維，并聯(lián)機(jī)器人通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作加快生產(chǎn)速度。

軌道公司的技術(shù)開(kāi)發(fā)理念是“材料不可知論”，其技術(shù)旨在適應(yīng)幾乎任何復(fù)合材料：塑料、陶瓷或金屬基體，包括熱固性塑料、熱塑性塑料和碳化硅；干燥、粘合纖維，從3K到48K絲束；并且能夠結(jié)合銅或鋁線、納米材料、導(dǎo)電油墨或其他有助于實(shí)現(xiàn)多功能結(jié)構(gòu)的選擇。與生產(chǎn)專業(yè)且成本更高的材料的企業(yè)不同，公司的研發(fā)工作正致力于面向標(biāo)準(zhǔn)的低成本材料優(yōu)化打印技術(shù)，這是在大批量應(yīng)用中具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的必要能力。

雙機(jī)器人連續(xù)纖維3D打印機(jī)

瑞士9T實(shí)驗(yàn)室于2019年2月開(kāi)始對(duì)其CarbonKit進(jìn)行beta測(cè)試，該測(cè)試旨在使現(xiàn)有的3D打印機(jī)能夠進(jìn)行連續(xù)纖維打印，一個(gè)未公開(kāi)的項(xiàng)目預(yù)計(jì)每年可生產(chǎn)約30000個(gè)零件。CarbonKit系統(tǒng)利用了從開(kāi)發(fā)連續(xù)點(diǎn)陣制作（CLF）工藝中獲得的知識(shí)。該系統(tǒng)旨在使用工業(yè)級(jí)廉價(jià)材料用作原料，拉擠復(fù)合材料棒，然后復(fù)合材料棒通過(guò)牽引單元進(jìn)入熱可調(diào)節(jié)的擠出頭。系統(tǒng)可以與一系列熱塑性基體體系配合使用，纖維體積含量可達(dá)50％以上。該系統(tǒng)的另一個(gè)重要特征是能夠縮放擠出橫截面積，因此可以適應(yīng)具有小絲束的高分辨率應(yīng)用，以及具有大絲束的大幅面增材制造。

二、面向復(fù)雜或精密結(jié)構(gòu)的連續(xù)纖維3D打印技術(shù)

美國(guó)南卡羅來(lái)納大學(xué)McNair航空航天創(chuàng)新與研究中心的研究人員與TIGHITCO和英格索機(jī)床公司合作，開(kāi)發(fā)了用于高度專業(yè)化和要求苛刻產(chǎn)品的連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印技術(shù)。該技術(shù)是一種熔融長(zhǎng)絲制造（FFF）方法，團(tuán)隊(duì)已開(kāi)發(fā)出了熱塑性復(fù)合長(zhǎng)絲和機(jī)器人3D打印系統(tǒng)。系統(tǒng)將由英格索生產(chǎn)，使用配備有連續(xù)纖維沉積末端執(zhí)行器以及西門子控制系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)，提供七個(gè)自由度。團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)技術(shù)的宗旨是，不希望用大型打印頭打印需要大量后處理的大型圖案，而是僅需最少后處理的打印。

McNair團(tuán)隊(duì)認(rèn)為該技術(shù)非常適合三種應(yīng)用。首先是航空應(yīng)用中的小批量制造，例如每架無(wú)人機(jī)或小型航空器僅需要一個(gè)特定高強(qiáng)度組件的應(yīng)用，使得模具或芯軸難以成本劃算。其次是高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，比如加強(qiáng)網(wǎng)格，利用其他制造方法無(wú)法產(chǎn)生所需的強(qiáng)度質(zhì)量比和剛度質(zhì)量比。第三種是套印，這是一種在打印過(guò)程中插入組件并由此完全嵌入打印零件中的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)零件整合。套印的例子包括在螺紋嵌入圈周圍打印，而不是通過(guò)打印后處理來(lái)添加它；或者在打印零件中嵌入RFID芯片或電子傳感器。自動(dòng)絲束鋪放（AFP）的機(jī)身僅具有最小程度的集成，許多較小的部件用螺栓固定。而這項(xiàng)技術(shù)的亮點(diǎn)在于，如果使用熱塑性塑料制造復(fù)合材料零件，每次就是通過(guò)套印重新熔化以增加新部件。消除鉚釘、緊固件和粘接劑可以顯著改善這些航空結(jié)構(gòu)。

連續(xù)復(fù)合材料公司是連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印的先驅(qū)，2012年獲得了全球最早的工藝專利——CF3D。公司預(yù)計(jì)有一天該技術(shù)將用于按需打印整架飛行器結(jié)構(gòu)——無(wú)論是10件還是10000件，因?yàn)樗哂谐浞值慕?jīng)濟(jì)性。CF3D使用快速固化熱固性樹(shù)脂（雖然也適用于熱塑性塑料），將增強(qiáng)纖維浸漬在打印頭內(nèi)，并在材料沉積后立即固化復(fù)合材料。熱固性材料使該工藝能夠在自由空間中執(zhí)行高速打印。應(yīng)用CF3D技術(shù)的纖維體積可達(dá)到50-60％，而公司正在以多種方式繼續(xù)推進(jìn)該工藝。最近的一個(gè)重要進(jìn)展包括更加自動(dòng)化的工具路徑生成；自動(dòng)化的工具更換，可在同一部件上實(shí)現(xiàn)高分辨率單通道和高沉積多通道打印；提高的機(jī)器人準(zhǔn)確性和精度；開(kāi)發(fā)具有更高力學(xué)性能的材料。

連續(xù)復(fù)合材料公司3D打印機(jī)翼剖面

意大利moi復(fù)合材料公司的連續(xù)纖維制造（CFM）工藝與CF3D相似，也已經(jīng)達(dá)到早期采用和開(kāi)發(fā)階段（技術(shù)成熟度等級(jí)5）。CFM技術(shù)旨在解決使用熱固性樹(shù)脂進(jìn)行3D打印的挑戰(zhàn)，并已成功地用環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸和乙烯基酯打印連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。紫外線（UV）是moi印刷技術(shù)的主要固化工藝，但該工藝也適用于其他固化和后固化機(jī)制——這是碳纖維應(yīng)用所必需的，因?yàn)樘嫉牟煌该餍院秃谏蓴_紫外線固化。

三、將速度與精度相結(jié)合的連續(xù)纖維3D打印技術(shù)

作為連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印的先驅(qū)，Markforged公司用于小批量生產(chǎn)的X7打印機(jī)廣受歡迎，不過(guò)公司預(yù)計(jì)，技術(shù)開(kāi)發(fā)會(huì)將小批量生產(chǎn)和批量生產(chǎn)融合。目前連續(xù)纖維3D打印的市場(chǎng)是高價(jià)值、低批量的零件，而未來(lái)目標(biāo)市場(chǎng)將朝著相對(duì)大批量、低價(jià)值的零件增長(zhǎng)，因?yàn)榇蛴C(jī)制造商會(huì)降低打印成本和材料成本。公司預(yù)測(cè)，用于批量的打印技術(shù)仍將具備高度細(xì)節(jié)的復(fù)雜組件所需的功能，因?yàn)閺?fù)雜性通常可在軟件中得到解決。

MarkForged的連續(xù)纖維系統(tǒng)使用由專門開(kāi)發(fā)的熱塑性樹(shù)脂制成的預(yù)浸絲束，它使用兩個(gè)打印頭，一個(gè)用于基體樹(shù)脂，另一個(gè)用于預(yù)浸絲束。技術(shù)改進(jìn)的重點(diǎn)是可靠性和可重復(fù)性。公司還致力于完全閉環(huán)的工藝，并開(kāi)發(fā)其他功能，如完全集成的材料跟蹤和全面的自動(dòng)報(bào)告功能。Markforged的一個(gè)關(guān)鍵市場(chǎng)是打印傳統(tǒng)生產(chǎn)線工裝的夾具和組件，與機(jī)加工鋁制組件相比，3D打印的熱塑性產(chǎn)品同樣堅(jiān)固但更輕，不會(huì)像金屬組件那樣破壞零件，而且在同一天內(nèi)就可以準(zhǔn)備好了。

荷蘭CEAD集團(tuán)于2018年11月推出其大型CFAM（連續(xù)纖維增材制造）Prime 3D打印機(jī)。雖然最初的CFAM Prime用于構(gòu)建原型產(chǎn)品，但該系統(tǒng)特別有利于小批量生產(chǎn)大型復(fù)雜產(chǎn)品，縮短交貨時(shí)間、終結(jié)模具使用使其成為高效的制造工藝。CFAMPrime是一款完整的基于西門子數(shù)控系統(tǒng)的封閉式打印機(jī)，建造體積為2×4×1.5米，是歐洲最大的3D打印機(jī)，可以使用一系列熱塑性塑料。打印機(jī)的平均輸出功率為15千克/小時(shí)，無(wú)需操作員即可運(yùn)行24小時(shí)。它具有智能加熱/冷卻系統(tǒng)，可通過(guò)熱感攝像頭監(jiān)測(cè)工藝，并根據(jù)需要實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

為了制造連續(xù)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，CFAMPrime首先使用所需的熱塑性樹(shù)脂預(yù)浸漬連續(xù)玻璃纖維或碳纖維，然后打印頭將連續(xù)纖維與熔化的熱塑性樹(shù)脂顆粒結(jié)合，其中還可包括一定百分比的短切纖維，這是該打印機(jī)的特色。

歐洲最大的3D打印機(jī)

三、結(jié)束語(yǔ)

自Markforged公司于2014年宣布推出Mark One連續(xù)纖維3D打印機(jī)以來(lái)，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印技術(shù)正在快速發(fā)展。當(dāng)前，該技術(shù)還存在兩個(gè)主要問(wèn)題，一個(gè)是纖維含量低且打印層之間的分層可能性高，另一個(gè)是缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的商業(yè)軟件。對(duì)于前者，目前該技術(shù)并無(wú)法與傳統(tǒng)復(fù)合材料工藝競(jìng)爭(zhēng)，它只是當(dāng)前制造方法的補(bǔ)充，提供靈活性和開(kāi)放式設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)可能性，可能更適合承擔(dān)簡(jiǎn)單功能的小型低成本無(wú)人機(jī)生產(chǎn)；但是未來(lái)則可能大幅度消除這些問(wèn)題，并且由于生產(chǎn)完全自動(dòng)化，在從事復(fù)雜任務(wù)的大中型無(wú)人機(jī)制造中的競(jìng)爭(zhēng)將是必然發(fā)生的。對(duì)于后者，因?yàn)槭袌?chǎng)上尚無(wú)連續(xù)工具路徑的軟件，目前每個(gè)研發(fā)團(tuán)對(duì)都在開(kāi)發(fā)專有軟件，希望以比傳統(tǒng)切片軟件更自動(dòng)化的方式生成工具路徑，與大多數(shù)軟件開(kāi)發(fā)一樣，未來(lái)將會(huì)出現(xiàn)工具路徑生成軟件的標(biāo)準(zhǔn)，而這將進(jìn)一步促進(jìn)業(yè)界以此3D打印方法批量生產(chǎn)無(wú)人機(jī)。3D打印無(wú)人機(jī)比連續(xù)纖維3D打印技術(shù)出現(xiàn)更早，但是除了2015年激光科學(xué)飛行公司的驗(yàn)證機(jī)，并未掀起更多熱潮，而日趨成熟的連續(xù)纖維3D打印技術(shù)，可能會(huì)成為3D打印無(wú)人機(jī)的新動(dòng)力，進(jìn)而開(kāi)啟無(wú)人機(jī)發(fā)展新熱潮。