3D打印的自行车架,凸显新型连续纤维制造工艺的独特优势


作者:本刊编译 日期:2018/07/13 来源:PT塑料网

意大利的新兴公司Moi Composites现在正在采用米兰工业大学+LAB实验室开发的创新型连续纤维制造(简称“CFM”)工艺来提供3D 打印服务。这一获奖的连续纤维技术(曾获2017 JEC创新奖,并入围2017 James Dyson奖决赛圈)是在+LAB实验室的Atropos项目中诞生的,米兰工业大学团队于2015年为其申请了专利,目前该技术已成为Moi Composites公司发展的基石。

BMX自行车的车架由六轴机械手臂构建而成,并充分利用了CFM工艺能够控制纤维定位的能力
BMX自行车的车架由六轴机械手臂构建而成,并充分利用了CFM工艺能够控制纤维定位的能力

于2018年2月正式成立的Moi Composites公司被认为是+LAB学术成果的自然进化,该新兴公司将为小批量、订制化和高性能项目提供共设计和生产服务。利用CFM技术,Moi Composites公司能够3D打印出高性能的热固性复合材料部件。

Moi Composites公司强调,作为一项生产服务,该公司不仅将与客户合作生产原型部件,还将生产合格的最终用途产品。这种能力得益于CFM工艺能够将热固性复合材料的性能优势与增材制造的灵活性结合在一起。

CFM工艺提供“依靠算法实现复合材料部件数字化”的能力,并集成智能的优化算法来控制纤维的位置和取向,以在获得最高性能的同时,最大程度地减少材料用量。最后一个特性是在与Autodesk的协作中实现的,Autodesk帮助CFM的开发者沿给定部件的主应力线来优化纤维铺放。伴随着这项协作,Moi Composites公司还将Autodesk的Netfabb Ultimate整合到其3D 模型制备的工作流程中。

由于可以在打印过程中依靠工业机器人,因此CFM工艺还具有高度的可扩展性,能够为不同的市场而订制,包括汽车、航空航天、生物医学、建筑及其他等。正如Moi Composites公司在其网站上所说:“工业机器人以不同的规格和有效载荷而存在,它们能与三轴或更多轴的龙门机器相结合,从而实现难以想象的跨度和运动自由度。”

该公司表示,选择专门针对固化时间不到1秒的热固性基体材料的工艺,允许在高速下铺放连续纤维,从而能够快速地生产出工作温度比传统热塑性基体材料明显更高的产品。

Moi Composites公司目前提供一系列的热固性复合材料,包括FGV(乙烯基酯树脂与玻璃纤维)、FGE(环氧树脂与玻璃纤维)、KFE(环氧树脂与芳纶纤维)、CFE(环氧树脂与碳纤维)及其他等。这些复合材料提供了一系列的优异特性,包括轻量化、高强度、耐化学性、耐热性以及高冲击强度等。

为实现其复合材料纤维打印服务,Moi Composites公司已与欧文斯科宁、库卡、Autodesk、COMAU和ComoNeXT Innovation Hub等展开了合作。最近,该公司通过与Autodesk合作,设计并3D打印了BMX自行车的车架,以展示其能力。利用六轴机械手臂、采用一种连续玻璃纤维复合材料打印的这款车架仅重1.8 kg,比相应的钢部件(重3kg)轻40%。

BMX车架由六轴机械手臂构建而成,并充分利用了CFM工艺能够控制纤维定位的能力。确切地说,车架背面的纤维不是按平行于平面的方式沉积,这有助于实现优良的结构和各向异性。

该3D打印的自行车架,是采用拓扑优化的3D打印金属连接件将3个单独打印的部件组装在一起
该3D打印的自行车架,是采用拓扑优化的3D打印金属连接件将3个单独打印的部件组装在一起

“该自行车的设计采用了一种基于体素的优化算法,这允许由给定的力和约束条件来生成所需的构建解决方案。” Moi Composites公司介绍说,“这种软件能够理解应力的理论分布,以及拉力与压力的区别, 并按最有效的结构方式进行设计。凭借专用算法,还能够减少纤维折断,优化加工路径以更好地分布载荷。”

该3D打印的自行车架,是采用拓扑优化的3D打印金属连接件将3个单独打印的部件组装在一起。它首次亮相于Formnext 2017展会,此后,跟随Autodesk参加了其他一些展会。

由于将自身看作是CFM工艺的提供者,因此 Moi Composites公司不断进取,对其技术进行改进。归功于其自主式的机器人打印系统,该公司能够及时交付高质量的复合材料部件。目前,该公司能够生产的部件最大尺寸是0.8m×1m×1.2m,并计划建造更大的机器人打印单元。该公司还在探讨将碳纤维和芳纶纤维应用于CFM工艺,以及从速度和控制方面提高这项工艺的整体质量。