增材制造：一些专家质疑耐久性，另一些专家质疑耐久性的价值
波音公司和机床制造商辛辛那提与橡树岭国家实验室合作制造了一种机翼修剪工具，创造了“最大立体 3D”的吉尼斯世界纪录-打印的物品。”经过三年的工作，军事研究人员的一个项目即将结束，该项目旨在寻找一种更快、更便宜的方法来制造大型航空航天部件（例如机翼蒙皮和机身）的工具。
对于可高压灭菌的碳纤维增强热塑性材料的大规模增材制造 (AM)，结果看起来不错。与金属相比，研究人员通常发现工具交付速度快了五倍，而且工具价格便宜了两到三倍。
但在工艺进入 f 之前，问题仍然存在大规模生产：复合工具能否经受住反复高压灭菌的高温？随着时间的推移，由两部分制成并用密封剂连接的增材制造工具的真空完整性是否会保持不变？
“我认为最大的问题是，这些工具的耐用性如何？”空军研究实验室 (AFRL) 的低成本可消耗制造负责人 Craig Neslen 说。 “当我将工具暴露在反复的热循环中时，我是否会失去尺寸精度？它是否仍会保持其正确的形状，如果是这样，我将从该工具中取出多少优质零件？”
实验室的结果显示，该工具由填充了 10% 碳纤维的 Ultem 1010 制成在 350°F (177°C) 和 90 psi (620 kPa) 的高压灭菌器中，在真空密封袋中经受了 57 次循环，同时与理论上可用于在相同温度下进行“几百次循环”，Neslen 说。
有限的使用寿命可能不是一个交易破坏因素。存储和维护不经常使用或最终可能不再需要的工具需要花费金钱和时间来跟踪和维护。
在他们的两阶段项目的第一阶段，AFRL 科学家发现铝制版本他们的工具将花费 14,000 美元，是相同尺寸但由碳增强 Ultem 1010 制成的工具的两倍多，后者的价格为 6,276 美元（见图表）。
铝和纤维增强 Ultem 之间的区别工具对于制造工具所需的时间更为重要：铝材需要 10 天，增材制造聚合物工具需要 11 小时。
“没有时间可以绕过交货时间，”Mark Benedict 说， AM 领导 AFRL。 “而且大多数精明的制造商都意识到这是添加剂最大的价值主张之一，你可以在一两周内得到东西，而不是潜在的 s六个月到一年。 “另一个需要注意的是，工具很少在第一次就完美无缺。”
在研究的第 2 阶段，AFRL 与波音公司合作，最初使用的是辛辛那提公司的大面积增材制造 (BAAM)打印机和载有短切碳纤维的聚苯硫醚材料。
在使用 BAAM 制造了几个中型工具后，AFRL 和波音公司决定还使用 Thermwood 的大规模增材制造垂直层打印技术评估工具质量。
迈克波音公司的材料和工艺工程师 Matlack 与空军研究实验室和大型 AM 机器制造商 Thermwood 合作，研究了复合材料 AM 在像这个这样的大型航空航天部件中的使用一节合作伙伴本来想要一个机身skin 尺寸为 10x5x2.5 英尺（305x152x76cm），由载有短切碳纤维的聚醚砜制成。但是，他们最终选择了两个 5 英尺长的工具，以便通过在 350°F (177°C) 和另一个在 250F (121C) 下对一个进行高压灭菌来验证工具的尺寸稳定性和真空完整性。
“除了尺寸精度之外，我们关心的另一个问题是在 350°F 下固化三、四或五个小时的工具真空完整性，”Neslen 说。 “事实证明，对于我们打印的特定工具，波音公司相信他们可以将这些工具与他们确定的密封剂一起用于他们制造的 75% 以上的（复合）部件。”
Mike Matlack 是波音公司的材料和工艺工程师，也是他所在公司的 AFRL 合作项目经理，他证实了 Neslen 的估计，并指出复合材料工具的成本大大降低。在他和 AFRL 解决工具耐用性问题时，t他的公司正在将这项技术用于原型机和低产量零件，“备件和维修以恢复机队准备状态，”Matlack 说。“传统上，在这些原型飞机上，我们需要更快地推向市场，这实际上缩短了我们的工具制造周期时间，”他说。 “如果该技术证明我们获得的周期比我们预期的要多，它可能会进入中等范围的生产应用。”
在 Matlack 管理的另一家风险投资项目中，波音和辛辛那提与橡树岭国家实验室合作制造了一种机翼修剪工具，该工具获得了吉尼斯世界纪录最大实体 3D 打印物品的称号。
如果航空航天业采用大规模 AM 来制造工具大零件，是否有足够的制造商制造这些类型的 3D 打印机？目前只有少数几家公司在生产它们。
“我不会说有，在Benedict 说：“现在，有足够的工业基础能力来生产工具，但......市场开始出现。”
3D 打印的热固性复合材料飞机机翼会出现在我们的未来吗？
一位“真正热衷于 3D 打印”的美国政府材料科学家/聚合物化学家设计了一种实用的增材制造工艺来制造航空级短碳纤维增强热固性复合材料，并调整材料以获得所需的物理特性。
“就其目前的形式而言，我认为该技术适用于大批量、中小型组件——需要轻量化的复杂零件——传统方法难以制造，”James Lewicki 说，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的定量聚合物老化和降解实验室。 “然而，如果你想向前看，有很多方法可以让这项技术大幅面化。”
James Lewicki，材料科学家/劳伦斯利弗莫尔国家实验室的高分子化学家和他的团队设计了一种实用的 AM 工艺来制造可调节的航空级短碳纤维增强热固性复合材料。Lewicki 的技术使用直接墨水书写，也称为机器人铸造或机器人材料挤压，在其中糊状材料从微喷嘴挤出到打印平台上并保持其形状而不依赖固化或干燥。打印机可以控制高纵横比纤维在三个维度上的方向，并使用计算设计优化，可以定向打印部件每一层中的纤维，以单独或组合实现所需的强度和刚度以及导热和导电性能，这些性能优于随机订购的汽车邦纤维。
迄今为止，Lewicki 打印机打印的最大部件约为 1500 立方厘米（49 英尺3），尽管该机器能够构建大约 20,000 立方厘米（656 英尺3）的体积。
目前制造由类似材料制成的中小型部件的方法包括纤维缠绕（用于圆柱形部件）和手糊。大型部件是通过手工铺叠、自动纤维放置和自动丝束放置制造的。
Lewicki 和他的团队在 2017 年发表在《科学报告》上的一篇论文描述了他们在打印机上的早期工作。从那时起，科学家们一直专注于使该技术在制造业中规模化可行。
“现在我们可以大规模打印复合材料，这些复合材料在某种程度上有所下降与论文中的材料相比，强度与 temper-6 6061 铝相当，刚度大约为 70%，”Lewicki 说。 “纤维的体积分数是 m更高，复合材料中的缺陷被最小化，零件的复杂性和规模远远超出了我们（在论文中）所展示的。”
Lewicki 为他的团队和他的团队制定了更大的目标
他很好奇他们是否可以生产出接近铁合金性能的部件。他认为整合更长的纤维可能有助于获得一种机械性能优于不锈钢的材料，他说。
我认为我们已经解决了这个问题，”Lewicki 说。 “我看到的是机电一体化和技术集成方面的挑战——这些挑战还在不断扩大。
“我很想打印飞机机翼，但这还需要很多年，而且需要合作伙伴。”
