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碳纤维增强尼龙全速步入3D增材制造时代

来源：艾邦高分子日期：2018-05-24

　　一、增材制造速度提高 20 倍使用寿命更上一层楼

　　为了结合增材和减材制造方法的优点，亚琛塑料加工研究所 (IKV) 开发并成功实施了一种混合制造单元。

　　该混合制造单元的核心部件是现代化 6 轴机器人形式的定位系统，它配备标准化工具更换系统，从而确保了最大的自动化和灵活性。在 IKV 开发的方法中，增材制造步骤使用以塑料颗粒操作的螺杆型塑化单元。与基于细丝的制造技术相比，此方法可以在处理增强级塑料化合物的同时实现高通量。除增加通量外，由于使用经济效益更高的颗粒，还大大降低了成本。

　　精密细丝的制造费用非常昂贵，通常比上述使用塑料颗粒的方法贵 10-30 倍。

　　在混合制造单元中，抓握系统或铣削工具可根据需要与定位系统连接。因此，该单元可以进行其他加工，如提供沉积器形状以集成附加功能或减材后加工来保持尺寸精度。

　　二、定义

　　基于 3D 体积模型分层构建部件的过程被定义为增材或生成制造方法。这些方法通常又称为 3D 打印。相反，减材制造是指通过减少材料来制造部件。例如，通过磨削、钻孔或铣削的方式用材料坯料生成体积更小的部件。

　　IKV 的混合制造单元在 73 分钟内制造的 90 cm 高的旋翼(左图)以及通过显微镜记录的所制造部件的表面性能(右图)。

　　三、增材制造领域的全新可能

　　高填充增强塑料化合物的加工为增材制造开创了全新可能性，是位于德国下齐森 AKRO-PLASTIC 安科罗公司的核心竞争力。碳纤维增强型 AKROMID®B3 ICF 30 9 AM 已被亚琛塑料加工研究所 (IKV) 成功应用于这种新开发的熔融沉积成型工艺(MDM 工艺)。

　　由于碳纤维增强化合物的导热性更好，会带来更快的冷却速度，加上高填充增强塑料批次和批次之间的稳定性，从而实现了拥有高生产速度的稳定制造工艺，并获得了出色的机械性能。为了改善配料和喂料速度，AKROMID®提供了直径小于 1 mm 的颗粒，以便使用更精细的配料系统，大幅缩短停留时间。

　　碳纤维增强的塑料粒子

　　四、Nicolai Lammert — 亚琛塑料加工研究所

　　1. 极限应力水平

　　Nicolai Lammert 是亚琛塑料加工研究所“增材制造”团队的负责人，负责开发和实施混合制造单元，他非常看好新方法：“凭借我们的制造技术和 30% 碳纤维增强聚酰胺 6，我们能够实现部件在水平制造方向上(XY 方向)148 MPa 和垂直制造方向上(Z 方向)40 MPa 的极限应力水平。

　　Z 方向的性能相当于纯尼龙单六基础热塑性塑料机械性能的 85%。由于工业机器人的灵活移动性，化合物材料的各向异性和水平制造方向上的高机械性能现在可以专门用于后续部件中机械性能的负载路径调整。在当前 6 g/min 的放电容量，与基于 FLM 的制造方法相比，它还可以将生产速度提高到20g/min。我们也从这里看到了更多潜力。”

　　联系人：

　　Nicolai Lammert 先生

　　亚琛工业大学理学硕士 - 模具技术/增材制造研究助理

　　Jakob Onken 先生

　　亚琛工业大学理学硕士 - 部件设计和材料技术研究助理

　　Jan Dormanns 博士 - SMP Deutschland GmbH

　　2. 大尺寸部件

　　由于使用一系列经过生产测试的工艺热塑性塑料能够明显提高生产速度，混合制造单元不仅限于原型生产，而是为快速制造开辟了新的可能。

　　这种大尺寸部件的典型应用是针对位于伯钦根的汽车供应商 SMP Deutschland GmbH 的仪表板进行高度集成仿生支撑结构的概念研究。前期开发的项目经理 Jan Dormanns 博士谈到：“在这种仿生结构中，横梁和进气管以及安全气囊，转向柱，显示屏和包覆部件的连接器都被组合成一个支撑单元。

　　在减少使用工具和节省投资超过 150 万欧元的整体概念下，快速制造能够为这些结构的小批量制造节约成本。IKV 的 MDM 方法和 AKRO-PLASTIC GmbH 的化合物为这些概念在未来的工业可行性做出了巨大贡献。”