原標(biāo)題：硅谷AREVO連續(xù)碳纖維復(fù)合材料3D打印，將革新碳纖維制造

　　南極熊了解到，美國(guó)硅谷初創(chuàng)公司AREVO最近的發(fā)展勢(shì)頭迅猛。2020年6月初，AREVO宣布，他們已經(jīng)開(kāi)始建設(shè)一個(gè)世界上最大的高速連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚合物(continuous carbon fiber reinforced polymer ，即“CFRP”)復(fù)合材料增材制造工廠，以制造即服務(wù)(manufacturing-as-a-service，MaaS)的模式來(lái)運(yùn)營(yíng)，規(guī)?；焖偕a(chǎn)定制產(chǎn)品。連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的強(qiáng)度重量比是鋼的60倍以上，可用于專(zhuān)業(yè)級(jí)自行車(chē)、一級(jí)方程式賽車(chē)和最新一代戰(zhàn)斗機(jī)等產(chǎn)品。

　　隨著Arevo完成第二代復(fù)合材料沉積技術(shù)升級(jí)，速度是第一代的四倍以上，計(jì)劃在一個(gè)亞洲城市中部署數(shù)百套生產(chǎn)系統(tǒng)，具備滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)大型和幾何復(fù)雜的CFRP產(chǎn)品快速制造需求的能力。“這將成為我過(guò)去20年里，在3D打印行業(yè)看到的，最雄心勃勃、最有趣、最有前途的應(yīng)用之一。”Arevo聯(lián)合創(chuàng)始人兼董事長(zhǎng)Hemant Bheda表示。

　　3D打印，將革新傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料制造

　　碳纖維復(fù)合材料重量輕、強(qiáng)度重量比高，使其成為某些金屬零件和結(jié)構(gòu)的理想替代品，因?yàn)樗鼈兛梢越档筒牧?a class="em_stock_key_common" style="color: rgb(4, 51, 150); outline-style: none; text-decoration: underline;" target="_blank" web="1">成本、提高機(jī)械性能。“復(fù)合材料已經(jīng)有25年以上的歷史，但其市場(chǎng)滲透率極低，”Hemant Bheda說(shuō)。“我們認(rèn)為，最重要的原因是因?yàn)槠涑杀咎?，需要手?a class="em_stock_key_common" style="color: rgb(4, 51, 150); outline-style: none; text-decoration: underline;" target="_blank" web="1">勞動(dòng)和多個(gè)步驟，以及需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能推向市場(chǎng)，通常是12到18個(gè)月。”

　　即使采用最先進(jìn)的自動(dòng)纖維貼裝(AFP)技術(shù)，復(fù)合材料制造也需要對(duì)金屬模具進(jìn)行精密的數(shù)控加工、真空封裝和烘箱固化。這工藝無(wú)法應(yīng)對(duì)復(fù)雜的設(shè)計(jì)，必須將幾個(gè)部件分開(kāi)制造，然后手工粘合在一起，從而引入可能的人為錯(cuò)誤。另外，像飛機(jī)機(jī)翼這樣的大型部件必須在烘箱中烘很長(zhǎng)時(shí)間，消耗大量能源，Bheda說(shuō)。“現(xiàn)在，隨著不同領(lǐng)域創(chuàng)新的融合，特別是計(jì)算能力和基于機(jī)器人的自動(dòng)化，是時(shí)候?qū)夹g(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)了。”

　　Arevo公司利用其專(zhuān)利軟件算法、碳纖維材料和機(jī)器人3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料部件生產(chǎn)的制造即服務(wù)。|

　　Bheda稱(chēng)：“我們的系統(tǒng)完全省去了手工勞動(dòng)和烘箱固化的步驟，通過(guò)我們的軟件和全自動(dòng)機(jī)器人3D打印機(jī)，我們可以快速制造碳纖維制品。”

　　連續(xù)纖維

　　碳纖維復(fù)合材料是由薄薄的、非常結(jié)實(shí)的碳晶絲組成的，這些碳晶絲被混在聚合物基質(zhì)中；基質(zhì)將纖維固定在一起，形成堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。具有很高的剛度和拉伸強(qiáng)度，重量輕，并具有很高的耐化學(xué)性和耐溫性。

　　目前，其他復(fù)合材料3D打印機(jī)，可以把由幾微米長(zhǎng)的切碎纖維組成的長(zhǎng)絲，嵌入熱固性塑料長(zhǎng)絲中，實(shí)現(xiàn)3D打印零件。但能做出的尺寸是有限的。而Arevo的系統(tǒng)可以打印更大的物體，達(dá)到1立方米。

　　Arevo系統(tǒng)使用的長(zhǎng)絲材料是由PEEK基體制成的，里面嵌入了航空級(jí)的連續(xù)碳纖維。

　　PEEK是一種常見(jiàn)的可回收塑料材料，提供比其他熱固性材料更好的機(jī)械性能。Arevo的材料直徑為1.2毫米，包含12000束平行的連續(xù)碳纖維，每條纖維的直徑為5至6微米。

　　在纖維長(zhǎng)軸方向上，連續(xù)纖維使其性能比切碎纖維，有一個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。強(qiáng)度是鈦的五倍，而重量只有鈦的三分之一。

　　設(shè)計(jì)、打印、生產(chǎn)

　　除了向客戶(hù)銷(xiāo)售制造的零件，Arevo還賣(mài)3D打印機(jī)。2020年2月，他們?cè)谌毡举u(mài)出了第一套系統(tǒng)，安裝在位于東京的AGC公司，到2020年第一季度末，全球至少有4個(gè)制造工廠安裝了這樣的系統(tǒng)，開(kāi)始制造零件，并計(jì)劃到年底在全球擁有10個(gè)客戶(hù)。

　　“通過(guò)我們?cè)贫塑浖汕先f(wàn)的設(shè)計(jì)師現(xiàn)在可以訪(fǎng)問(wèn)它來(lái)創(chuàng)建以前從未實(shí)現(xiàn)過(guò)的零件，”Bheda說(shuō)。“而且通過(guò)全球打印機(jī)網(wǎng)絡(luò)，他們可以按需打印他們的設(shè)計(jì)。”

　　其網(wǎng)絡(luò)軟件為制造復(fù)合材料提供了一個(gè)端到端的解決方案，從一個(gè)3D模型開(kāi)始，軟件會(huì)進(jìn)行分析，并為纖維生成一個(gè)最佳的幾何排列。

　　連續(xù)碳纖維復(fù)合材料通常表現(xiàn)出各向異性，這意味著一些性能會(huì)根據(jù)它們沿幾何平面/軸的部位而變化，控制纖維的幾何排列結(jié)合零件需求的載荷，是非常重要的。

　　此外，軟件還可以通過(guò)去除材料和推薦最有效的設(shè)計(jì)來(lái)協(xié)助設(shè)計(jì)過(guò)程，以滿(mǎn)足零件可能遇到的實(shí)際操作條件。接著，它會(huì)計(jì)算出所需的復(fù)合材料數(shù)量，并生成使用Arevo的3D打印技術(shù)制造零件的指令。

　　系統(tǒng)還收集零件在制造過(guò)程中的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字雙胞胎，精確體現(xiàn)零件的打印狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)可以用于質(zhì)量保證，為檢測(cè)和分析提供強(qiáng)大的助力。

　　激光DED

　　除了在軟件和材料方面的突破，Arevo還開(kāi)發(fā)了一種基于激光DED(即直接能量沉積)的專(zhuān)利3D打印工藝。

△Arevo的核心技術(shù)：DED工藝。

　　激光束熔化剛加上去的聚合物細(xì)絲和上一層沉積打印的材料，形成液-液界面。同時(shí)，使用一個(gè)滾軸施加壓力，將層與層之間的空隙率降低到小于1%，達(dá)到消除分層橫截面的目的。其實(shí)這思路和中國(guó)武漢華中科技大學(xué)張海鷗教授的“微鑄鍛”金屬3D打印技術(shù)類(lèi)似，但后者使用的金屬材料，而不是高分子聚合物

　　DED工藝使用激光源來(lái)熔化聚合物長(zhǎng)絲，同時(shí)也熔化之前沉積的材料，以創(chuàng)建一個(gè)液體到液體的界面，實(shí)現(xiàn)原位鞏固( in-situ consolidation)；同時(shí)，它還施加了一個(gè)壓力，將空隙率降低到1%以下，消除了層，使截面看起來(lái)更均勻。

　　這種復(fù)合3D打印工藝，實(shí)現(xiàn)高性能，可以初級(jí)航空航天結(jié)構(gòu)上使用。

　　3D打印碳纖維自行車(chē)

　　傳統(tǒng)的復(fù)合材料自行車(chē)車(chē)架，需要18個(gè)月的時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)和投入生產(chǎn)；但連續(xù)纖維3D打印技術(shù)可以將時(shí)間縮減到幾周。車(chē)架制造商通過(guò)打樣試錯(cuò)，建立超過(guò)20次的設(shè)計(jì)迭代。當(dāng)他們確定一個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)，就手工制造一個(gè)原型車(chē)，騎上去，然后改變?cè)O(shè)計(jì)；如此重復(fù)。然后，安排工廠來(lái)制造自行車(chē)，通常是在中國(guó)。經(jīng)南極熊3D打印網(wǎng)查詢(xún)得知，高端自行車(chē)車(chē)架廠商，基本上都是在中國(guó)生產(chǎn)。

　　工廠制造的復(fù)合材料車(chē)架是由27到30個(gè)不同的零件手工制作而成，最后粘合在一起。而Arevo的系統(tǒng)，所有的設(shè)計(jì)工作，包括分析和優(yōu)化，都可以通過(guò)軟件來(lái)完成的，大大降低研發(fā)成本；同時(shí)3D打印一個(gè)整體單一部件，連續(xù)纖維智能放置在車(chē)架內(nèi)，提供前所未有的結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性。

　　“如今，在生產(chǎn)的200萬(wàn)個(gè)復(fù)合自行車(chē)車(chē)架中，99%都是中國(guó)制造的。”Arevo聯(lián)合創(chuàng)始人兼董事長(zhǎng)Bheda說(shuō)。“我們相信，隨著技術(shù)的進(jìn)步，成本結(jié)構(gòu)將發(fā)生轉(zhuǎn)變，三年后，手工制造自行車(chē)車(chē)架將被顛覆，被淘汰。”

　　Arevo還在研究其他一些應(yīng)用，包括自行車(chē)和滑板車(chē)的車(chē)輪。用于運(yùn)輸包裹的商用無(wú)人機(jī)制造商對(duì)復(fù)合材料的輕量化很感興趣，還有網(wǎng)球拍和溜冰鞋(用于連接金屬葉片和靴子的結(jié)構(gòu))在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)設(shè)備制造商。

　　中國(guó)的連續(xù)碳纖維3D打印

　　據(jù)南極熊了解，中國(guó)連續(xù)碳纖維3D打印方面的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)非常少，但也有一些研究相關(guān)技術(shù)的大學(xué)和研究所團(tuán)隊(duì)。