隨著3D打印材料的進(jìn)步，它們的應(yīng)用也在進(jìn)步。PEEK等高性能聚合物以及含碳纖維和陶瓷纖維的復(fù)合材料具有與金屬相似的溫度、機(jī)械和化學(xué)電阻，許多行業(yè)已發(fā)現(xiàn)其性能符合某些應(yīng)用的要求。但這些材料的極限是什么？行業(yè)仍在努力找出用3D打印的超級(jí)聚合物和復(fù)合材料取代傳統(tǒng)制造的金屬部件的界限。

PEEK、碳纖維復(fù)合材料和陶瓷纖維復(fù)合材料具有與金屬相似的耐溫性、耐機(jī)械沖擊性和耐化學(xué)性。由這些聚合物和復(fù)合材料制成的零件具有很多優(yōu)異的性能，那么用3D打印的高性能聚合物材料和復(fù)合材料部件代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造的金屬部件可行嗎？

除了制造最終用途部件外，Werco Manufacturing還為商業(yè)航空公司和國防行業(yè)制造維護(hù)和部件任務(wù)訓(xùn)練器。教練機(jī)可以小到幾個(gè)零件，也可以大到飛機(jī)機(jī)身，通常是用回收的飛機(jī)制造的。

替?zhèn)鹘y(tǒng)制造的金屬部件可行嗎？

Werco Manufacturing是俄克拉何馬州Broken Arrow的一家航空航天和國防制造商，也是一家正在探索這個(gè)問題的公司。2020年，該公司在其制造能力中增加了兩臺(tái)Roboze Argo 500 3D打印機(jī)，其中還包括鈑金制造、焊接、數(shù)控加工和零件精加工。該公司的大部分業(yè)務(wù)（約70%）來自軍方，其余業(yè)務(wù)則來自于商業(yè)航空公司。

Werco 不僅為航空航天和國防制造最終用途零件，還專門制造用于飛機(jī)訓(xùn)練的“教練機(jī)”。Werco首席運(yùn)營官說：“我們不是在建造整個(gè)飛行模擬器，主要是維修教練機(jī)和部分任務(wù)教練機(jī)。我們能制作駕駛艙內(nèi)所有部件的'教練機(jī)’。這些教練機(jī)可能像飛機(jī)機(jī)身一樣，非常龐大和復(fù)雜，或者像幾個(gè)組裝零件一樣簡單?！?/p>

客戶首先告訴 Werco最終產(chǎn)品的要求，包括它需要低保真、中保真還是高保真度，然后制造車間根據(jù)這些要求生產(chǎn)教練機(jī)。

高保真的教練機(jī)需要盡可能在性能、外觀等方面接近實(shí)際飛機(jī)，它們通常使用回收的飛機(jī)零件制成。但是，能夠回收的飛機(jī)零件越來越難。

3D打印很適合替換回收的零件，因?yàn)檫@項(xiàng)工作體積小，而且是一次性的不需要批量化生產(chǎn)。不再需要進(jìn)行回收、改造、制造等環(huán)節(jié)，大大提高了制造效率?！霸诘谝惶欤覀兙涂梢蚤_始工程流程并制作實(shí)際零件?！毕嚓P(guān)人員說。

隨著回收的飛機(jī)部件越來越難獲得，Werco增加了兩臺(tái)Roboze Argo 500 3D打印機(jī)，從頭開始制造這些部件。這些打印機(jī)設(shè)計(jì)用于使用PEEK和碳PEEK等高性能材料，使車間能夠生產(chǎn)與金屬部件功能類似的非金屬部件。

該公司還沒有準(zhǔn)備好投資金屬3D打印系統(tǒng)，但它需要一種方法來生產(chǎn)與金屬相似的部件。

相關(guān)人員指出，教練機(jī)的功能性部件會(huì)經(jīng)歷大量的磨損，傳統(tǒng)聚合物在這類應(yīng)用中不夠耐用，但高性能聚合物（如 PEEK）和復(fù)合材料（如碳 PEEK）卻足夠耐用。

高性能聚合物材料不僅能夠應(yīng)用在這種生活領(lǐng)域中，還可以應(yīng)用在飛機(jī)零件上。Roboze 打印機(jī)的最大亮點(diǎn)就是能夠使用這些高性能材料進(jìn)行零件制造，可以說Roboze Argo 500為使用高性能材料而生，它具有可以加熱功的打印室和打印板，以及長絲干燥和預(yù)熱系統(tǒng)，確保用戶可以準(zhǔn)確一致地打印高性能聚合物和復(fù)合材料。

更好更快更強(qiáng)

Werco制造中心能夠通過車床或銑床將碳纖維PEEK零件進(jìn)行機(jī)械加工。這有很多的優(yōu)勢，一方面，通過增材制造和減材制造相結(jié)合的方式能夠更快更便捷地得到想要的零件。另一方面，通過機(jī)械加工的方式去除3D打印零件的支撐可以減小誤差，使零件具有高精度只要3D打印部件可以固定并且是實(shí)心的（或接近實(shí)心的），加工它就像加工金屬部件一樣方便。

Werco已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了使用更強(qiáng)的高性能材料如PEEK和碳PEEK的許多好處。首先，碳纖維PEEK部件可以通過車床或銑床進(jìn)行機(jī)械加工。與手工打磨相比，機(jī)械加工是一種更快更容易完成零件的方法。

該公司還用3D打印的機(jī)器零件來移除支撐和減小誤差，使它們更接近回收零件的領(lǐng)域。根據(jù)公司的說法，只要3D打印的部分可以固定，加工起來就像加工金屬部件一樣方便。

碳纖維PEEK比傳統(tǒng)聚合物如ABS更堅(jiān)固，更耐熱，使得這些部件可以像金屬一樣加工。由于其較高的耐熱性和保持負(fù)電荷的能力，碳纖維PEEK也可以粉末涂層。

這些材料也比傳統(tǒng)的聚合物部件更容易上漆和粉末涂層。相關(guān)人員表示：“我們可以將一個(gè)很大的部件分成多個(gè)部分，將它們粘合在一起，在它們上面做填充物，然后給它們上漆?！毕嚓P(guān)人員表示，3D 打印零件的噴漆工藝與金屬零件相同，但車間在將 ABS 和 PLA 等傳統(tǒng)材料放入加熱的噴漆房時(shí)需要小心。PEEK和碳纖維PEEK的耐熱性足夠高，可以毫無問題地處理噴漆房的溫度。高耐熱性以及保持負(fù)電荷的能力還允許碳 PEEK 進(jìn)行粉末涂層。

經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)

現(xiàn)在，Werco擁有這種機(jī)器已經(jīng)兩年了，相關(guān)人員說，他們已經(jīng)學(xué)到了一些關(guān)于3D打印高性能材料的重要經(jīng)驗(yàn)。首先，回歸現(xiàn)實(shí)，引進(jìn)了標(biāo)準(zhǔn)的ABS和PLA。事實(shí)上，Argo可以打印傳統(tǒng)的和高性能的纖維是一個(gè)額外的獎(jiǎng)勵(lì)，因?yàn)闄C(jī)器沒有一個(gè)封閉的材料生態(tài)系統(tǒng)，可以從許多來源獲得標(biāo)準(zhǔn)的纖維。估計(jì)，該公司60%的3D打印工作是碳PEEK，其余40%平均分配給普通PEEK和ABS。

由于大部分零件都是用高性能材料打印的，Werco會(huì)根據(jù)線軸上剩余的材料量組織生產(chǎn)。相關(guān)人員指出，這些細(xì)絲材價(jià)格并不便宜，因此不希望出現(xiàn)一個(gè)卷筒沒有足夠的絲材而另一個(gè)卷筒還有剩余的絲材的情況。

“我們肯定會(huì)努力通過卷上的絲量來衡量零件的運(yùn)行情況?！彼赋?，在一卷上留下20英尺的碳纖維PEEK絲并不是“大事”，但隨著時(shí)間的推移，這些成本會(huì)造成成本的增加。Werco會(huì)通過卷筒上的燈絲數(shù)量判斷零件的打印情況，這一過程一開始是為了確保絲線軸對(duì)打印來說不會(huì)太小，但它還有一個(gè)額外的好處，即使操作人員能夠檢查打印后還會(huì)剩下多少絲料。Roboze正在開發(fā)軟件，使用戶在不影響部件打印的情況下切換中間細(xì)絲卷，Werco也正在努力尋找一種方法，將較小的纖維片融合在一起并重新纏繞它們。

未來機(jī)遇與挑戰(zhàn)

相關(guān)人員表示，由于目前制造最終用途零件、內(nèi)部工具產(chǎn)品和原型/測試零件的任務(wù)量巨大，Werco幾乎每天都在運(yùn)行這兩臺(tái)3D打印機(jī)。所以Werco正在考慮使用 Roboze Argo 1000（打印體積為：1,000 × 1,000 × 1,000 mm）來打印更大的零件。制造中心可以直接制造大尺寸零件，而不必打印較小的零件，通過組裝和涂漆獲得尺寸更大的零件。該公司還期待與來自Roboze的新型高性能材料合作，包括由切碎的陶瓷纖維加強(qiáng)的Helios PEEK 2005。這種材料將具有更高的熱性能，由于其更好的表面光潔度，可能需要更少的后處理。

Werco希望能將在教練機(jī)3D打印方面的成功轉(zhuǎn)化為實(shí)際飛機(jī)上的3D打印。相關(guān)人員認(rèn)為，碳纖維PEEK具有優(yōu)異的耐機(jī)械沖擊性、耐熱性和耐化學(xué)性，可代替金屬部件。這些零件可以進(jìn)行機(jī)加工以確保嚴(yán)格的精度，并像金屬零件一樣涂漆或涂層。他還指出，碳纖維PEEK零件比3D打印金屬零件需要更少的后處理。

Werco 已經(jīng)注意到了航空領(lǐng)域?qū)π∨亢鸵淮涡粤慵男枨?。相關(guān)人員說：“俄克拉荷馬城的Tinker Air Force剛剛提供了一份備件清單，是一份 70 頁的Excel電子表格，其中包含由于多種原因而難以獲得的零件，這些零件要么沒有相應(yīng)的供應(yīng)商，要么過于復(fù)雜了。因此，我們正在查看該清單，希望可以使用3D打印技術(shù)制造符合規(guī)格的零件。"但他表示，問題在于，目前還沒有一個(gè)切實(shí)可行的途徑來讓替代部件獲得批準(zhǔn)。Werco目前正在與其他公司合作解決這個(gè)問題。