纖維復(fù)合材料以其輕質(zhì)結(jié)構(gòu)而著稱。傳統(tǒng)的模具成形常常需要通過銑床加工的方法來獲得，因此，成型件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度非常有限。本文介紹了一種由3D打印建造核心部件層狀結(jié)構(gòu)的方法。此核心部件的基體材料不會對環(huán)境有害，并且能夠很輕易地被水溶解，工藝步驟非常簡單，在幾天之內(nèi)就可以產(chǎn)生一個(gè)很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。它表明了3D打印技術(shù)在原型制作和小模型應(yīng)用上有著相當(dāng)大的潛力。

    制造輕質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法包含幾個(gè)步驟。首先，必須生成原始工件，這將限定產(chǎn)品的形狀。根據(jù)該工件的復(fù)雜性，工件必須被分成子工件，這將在后面組合成一個(gè)更大的結(jié)構(gòu)。作為一種替代，該工件的各個(gè)部分可以被分層，副模具可以粘結(jié)到隨后生產(chǎn)步驟中的成品模具。常用工件一般有兩種不同工作方式：作為磨損后的模具和作為許多生產(chǎn)周期的工件。

    如果所需的外體是類似管道網(wǎng)絡(luò)的形狀，那么使用磨損的內(nèi)核部件可以顯著減少模板，這些形狀在輕質(zhì)工程領(lǐng)域很常見。由于核心部件通常分界，沙子或其它可成形的材料被使用。這種材料被噴射形成形狀，類似于注射模具成型的工藝過程。在某些情況下，模具隨后被密封材料涂覆以準(zhǔn)備下一個(gè)步驟，即隨后的疊層(lamination)步驟。

根據(jù)所要求的質(zhì)量，核心部件涂上一層凝膠涂層?，F(xiàn)在可以使用不同的疊層技術(shù)。一方面有預(yù)浸泡。這些組織中，含有玻璃纖維或碳纖維，是一種聚合物，準(zhǔn)備粘到表面上，并且可以在高強(qiáng)度高溫度情況下被硬化。對于常見材料，溫度水平可高達(dá)180℃。一個(gè)冷疊層過程的結(jié)果是得到更加柔軟的材料。

    這里常用的方法是通過刷涂或噴涂，使用上聚酯樹脂，部分地硬化的樹脂，并通過滾軸使粘性聚合物附著在纖維材料上。相比于預(yù)浸漬技術(shù)，這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)的復(fù)雜性更高了。

    該技術(shù)是基于一種工件來生產(chǎn)核心部件。這種依賴性意味著制造更小批量的能力降低。該產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間過長，生產(chǎn)原型產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)上是不可行的。在這里，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)過程缺乏一致性，而使用3D打印技術(shù)打印核心部件就可以彌補(bǔ)這一缺陷。在下面摩托車部件一步步的生產(chǎn)過程就是為了顯示這一技術(shù)的可能性。

 電單車搖桿的CAD模型

    3D打印核心部件

    voxeljet使用基于粉末的3D打印工藝。此方法的特征在于根據(jù)CAD數(shù)據(jù)直接逐步生產(chǎn)部件。在制備過程中，數(shù)據(jù)被分割成可被打印機(jī)處理的位圖圖像。

第一步，把特定量的粉末添加到建造盒里面的建造平臺。該粉末擴(kuò)散裝置被引導(dǎo)通過建造空間和鋪平粉末。在此步驟之后，一個(gè)噴墨打印頭噴出活化液到粉末上。，這激活了粉末層中的粘合劑，并且它的顆粒粘合在一起。為了構(gòu)建核心部件的主體，該建造平臺下降一層并且重新開始該過程。重復(fù)這個(gè)工序，直到該部件在粉末中最終完成。

打印過程完成后，該部件可以從松散粉末中取出。為了正確地進(jìn)行清潔，需要風(fēng)吹或噴砂處理。在一個(gè)對流烘箱中完成一個(gè)簡短的硬化階段過程。

該voxeljet IOB材料被用作于核心部件基體材料。這種材料混合物主要成分是石英砂。此外，該粉末材料還包含一種粘合劑，它可以被噴頭噴出的水基液體激活。該材料系統(tǒng)生產(chǎn)出來的所有部件都是環(huán)境友好型的。

3D打印的核心部件

    預(yù)備

    3D打印過程生成的部件具有一定的孔隙。這些孔隙在疊層過程中必須進(jìn)行安全填充處理。

    為了達(dá)到可接受的效果，選擇了兩個(gè)步驟的處理。第一步，涉及用到鑄造工業(yè)傳統(tǒng)的采用灰漿密封。在這里使用的是德國Hüttenes-Albertus工廠的Zirkofluid 6672型號材料。該漿料是基于酒精的一種分散劑，因此對打印的核心部件沒有任何影響。該涂層是通過把部件快速在Zirkofluid灰漿中浸泡形成的。浸泡后，該部件還待檢查是否有溢出和液滴，這些都可以被擦拭掉。這個(gè)漿料涂覆過程最終將在對流烘箱中以60-80℃溫度下烘干完成。

    涂層處理的第二步包括應(yīng)用一個(gè)精細(xì)層來完全填充孔隙。這可以采用瑞士Aeroconsult公司的密封劑(Aquaseal)來實(shí)現(xiàn)。Aquaseal是一種水基劑，它可通過手工刷涂或噴槍噴到工件表面上。不建議采用浸漬，因?yàn)橐苊馑苄圆考娜芙狻?/p>

    該部件隨后在60-80℃的對流烘箱內(nèi)被烘干。一旦它完全干后，為了獲得一個(gè)可靠的密封表面，涂層可以重復(fù)做幾次。密封劑材料中帶藍(lán)色的顏色指示劑用于評價(jià)達(dá)到什么質(zhì)量水平的有用工具。

    疊層：

    已準(zhǔn)備好的核心部件現(xiàn)在可應(yīng)用于疊層了。在這種情況下需要用到一種聚酯材料。此聚合物通過玻璃纖維組織得到強(qiáng)化。

快速硬化材料在大約五分鐘開放時(shí)間內(nèi)被使用，因此這一步驟可以在不妨礙工作過程情況下被快速重復(fù)。兩種材料元件的混合被涂刷上核心部件，如果表面由于聚合作用變粘，應(yīng)用玻璃纖維組織并用刷子抹平。重復(fù)這些步驟，直到材料壁厚達(dá)到1毫米。

 核心部件疊層

    核心部件移除和完成：

    為了移除核心部件，新建的疊層結(jié)構(gòu)通過在聚合物材料中鉆孔打開。這些孔的位置是選擇在隨后步驟中金屬嵌件應(yīng)用的位置上。

該核心部件溶解在溫水中，為了達(dá)到良好的溶解速率，整個(gè)部件浸入水中。移動核心部件促進(jìn)水中的對流，從而加速溶解過程。該器件保持浸泡在約10升水中約兩個(gè)小時(shí)。

在某些情況下，有必要通過使用管和注射器，在疊層體的長通道內(nèi)產(chǎn)生所需要的對流。所有材料必須被安全地移出以優(yōu)化部件的重量。

就其一般來說，這一過程之后，該部件會有一個(gè)粗糙的表面和各種缺陷，比如殘存空氣或錯(cuò)位纖維材料。因此，需要填充和打磨的工序來實(shí)現(xiàn)了光滑的表面。這一步之后，該部件還可以噴漆。

 從左至右依次為：3D打印的核心部件;涂層的核心;藍(lán)色的第二層，疊層；沖洗出來的核心部件；噴色后帶金屬嵌件的摩托車搖搖桿#p#分頁標(biāo)題#e#

噴色后帶金屬嵌件的摩托車搖搖桿

    結(jié)論

    本文介紹了使用3D打印技術(shù)連接復(fù)合纖維材料來生產(chǎn)核心部件的方法。得益于層疊體的快速制造，這種方法非常適合于制造原型和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)小批量部件生產(chǎn)。這就為潛在的應(yīng)用領(lǐng)域的采用和投入創(chuàng)造了一個(gè)閉合完整的加工鏈。