面向未來的戰略技術：大型復合材料增減材一體制造及其關鍵要素

美國賽姆伍德Thermwood公司,是一家總部位于美國的跨國多元化數控機械制造商,通過在 11 個國家/地區的辦事處銷售其產品和服務。

近日，Thermwood公司開發了一種大型增減材制造設備LSAM，并在現場成功打印出可用于航空航天復合材料成型的工裝模具，向公眾展示了其低成本快速響應復材制造的能力。

作為大型零件増材制造商，Thermwood開發了一種近凈成形制造零件的方法，首先采用高速3D打印出尺寸比所需零件稍大的尺寸，然后裁剪到最終尺寸和形狀。2017年，該公司與海軍空中系統司令部的東部艦隊備戰中心簽署了正式合作研究和開發協議，以合作開發大尺寸増材制造技術。

2019年，Thermwood與美國空軍研究實驗室(AFRL)和波音公司合作開展研究項目——利用增材制造技術生產低成本快速響應模具，波音公司奧本工廠還擁有一臺Thermwood大型聚合物增材制造系統，其具有6m的打印床，可以打印寬3m、長6m、高5 1.5m的零件。2021年，普渡大學建立了用于大規模3D打印的Thermwood LSAM研究實驗室。

LSAM復合材料增減材設備及關鍵技術

LSAM是大型熱塑性復合材料增減材制造設備，其標準型號配有固定的工作臺以及可移動龍門架，在龍門架上安裝有擠出式3D打印頭和傳統銑削頭，使零件在同一設備上即可完成增減材制造，避免重新固定零件造成的誤差。

LSAM 1540設備具有雙龍門結構（工作臺尺寸15英尺×40英尺，4.5m×12m）

LSAM使用兩步法的“近凈成形”生產工藝。首先高速打印出比所需尺寸稍大的零件，然后通過精加工修整到最終尺寸和形狀。這是3D 打印大型結構最快、最有效的方法。使用LSAM設備，可以在同一臺機器上完成打印和精加工。若采用雙龍門結構，可以在工作臺的兩端同時進行一個零件3D打印和另一個零件的銑削加工，從而進一步提高效率。

LSAM設備幾乎可以加工任何熱塑性復合材料零件，包括高溫材料，如包括需在高溫條件下成型的PSU、PESU 和 PEI等，這些材料非常適合必須在高溫下條件下的模具和工具。系統集成了用于干燥和輸送聚合物材料的液體冷卻系統，以保持對重要系統的溫度控制，這對加工高溫材料尤為重要，因此能夠生產高質量、完全融合的產品。這些材料也主要用于生產模具和工具，大部分用于航空航天和工業生產應用。

LSAM對兩個零件分別進行3D打印和銑削加工

LSAM的關鍵技術包括以下幾方面

一是先進的打印系統設計。其打印頭擠出機的大部分熱量來自加熱的機筒而不是螺桿旋轉與打印材料產生的摩擦，與傳統設計相比加熱更為均勻且不需要更換螺桿來加工不同的復合材料；打印頭使用特殊合金可支持高達450°C的加工溫度；聚合物熔體泵由伺服驅動控制流量，形成均勻輸出；其獨特設計的壓輪可實現打印層間無空隙，零件底部打印到特制粘板上，可消除冷卻應力和零件翹曲。

螺桿擠出機

二是強大的控制系統。LSAM集成了一個控制系統，能夠監控和調整實時溫度，自動處理擠出和打印速度。當加載材料配置文件時，該聚合物的所有參數，如區域溫度和壓力限制都會自動設置；控制系統還能自動將熔體泵的輸出與機器運動速度同步，確保尺寸絕對精確，無論機器加速還是減速運行；

溫控壓輪圖

三是適用于大型零件增材制造的工藝軟件。具有拐角回拉補償等功能，可實現復雜零件編程并根據LSAM設備的打印特性進行自動調整。

特制粘板

LSAM獨特的打印系統可生產高強度、完全融合、真空密封且幾乎無空隙的零件。它不是實驗室或演示機器，而是一個成熟的工業增材制造系統，完全能夠用于生產大型組件。

波音驗證LSAM可行性

波音研究與技術實驗室與Thermwood公司合作完成了一項由美國海軍資助的項目，內容為應用大幅面增材制造工藝試制可適用于熱壓罐工藝的復合材料工裝，驗證其作為低成本、快速制造方式替代傳統工裝制造方法的可行性。所制造的熱壓罐需要足夠耐用，能夠承受180℃和586Kpa的多次固化循環。

熱壓罐的尺寸約為1m x1m x 0.4m，波音公司采用LSAM1020設備和由碳纖維增強的PESU材料來進行零件打印，最紅使用277kg的材料，用時7小時26分鐘完成打印，并更換銑削頭在53小時內完成最終加工，工裝尺寸和表面質量達到了設計要求。經過多次熱壓罐工藝循環試驗，工裝的真空保持性、尺寸穩定性以及高溫耐久性均可滿足要求。該項目證明了LSAM設備在單一平臺上進行增減材制造用于復合材料工裝的能力，與傳統制造方法相比，可節省約50%的成本，并將制造周期縮短65%。

LSAM設備打印可適用于熱壓罐工藝的復合材料工裝

此外，Thermwood還層利用垂直層打印（VLP）專利技術成功打印出一個3.6米長的波音777x的修整工裝，增減材制造總耗時約43小時，驗證了LSAM設備的大尺寸低成本快速制造能力。在波音公司奧本工廠，還安裝了一臺具有6m的打印床的Thermwood大型聚合物增材制造系統。

波音777x的修整工裝

復合材料制造是未來平臺的一項戰略技術，開發更具成本效益的工具解決方案將大大有利于生產制造。Thermwood憑借其3D打印的專利技術以及增減材一體的設計思路，提供了在一臺設備上完成零件3D打印與精銑的能力，具有低成本和短周期的制造優勢。憑借與此，該公司開發了當今行業中最大的復合熱塑性增材制造系統，在航空航天、軍事和國防、海洋與造船等行業獲得應用。（來源：增材制造技術前沿）