随着3D打印材料的进步，它们的应用也在进步。PEEK等高性能聚合物以及含碳纤维和陶瓷纤维的复合材料具有与金属相似的温度、机械和化学电阻，许多行业已发现其性能符合某些应用的要求。但这些材料的极限是什么？行业仍在努力找出用3D打印的超级聚合物和复合材料取代传统制造的金属部件的界限。

       PEEK、碳纤维复合材料和陶瓷纤维复合材料具有与金属相似的耐温性、耐机械冲击性和耐化学性。由这些聚合物和复合材料制成的零件具有很多优异的性能，那么用3D打印的高性能聚合物材料和复合材料部件代替传统制造的金属部件可行吗？

       除了制造最终用途部件外，Werco Manufacturing还为商业航空公司和国防行业制造维护和部件任务训练器。教练机可以小到几个零件，也可以大到飞机机身，通常是用回收的飞机制造的。

替传统制造的金属部件可行吗？

       Werco Manufacturing是俄克拉何马州Broken Arrow的一家航空航天和国防制造商，也是一家正在探索这个问题的公司。2020年，该公司在其制造能力中增加了两台Roboze Argo 500 3D打印机，其中还包括钣金制造、焊接、数控加工和零件精加工。该公司的大部分业务（约70%）来自军方，其余业务则来自于商业航空公司。

       Werco 不仅为航空航天和国防制造最终用途零件，还专门制造用于飞机训练的“教练机”。Werco首席运营官说：“我们不是在建造整个飞行模拟器，主要是维修教练机和部分任务教练机。我们能制作驾驶舱内所有部件的'教练机’。这些教练机可能像飞机机身一样，非常庞大和复杂，或者像几个组装零件一样简单。”

       客户首先告诉 Werco最终产品的要求，包括它需要低保真、中保真还是高保真度，然后制造车间根据这些要求生产教练机。

高保真的教练机需要尽可能在性能、外观等方面接近实际飞机，它们通常使用回收的飞机零件制成。但是，能够回收的飞机零件越来越难。

       3D打印很适合替换回收的零件，因为这项工作体积小，而且是一次性的不需要批量化生产。不再需要进行回收、改造、制造等环节，大大提高了制造效率。“在第一天，我们就可以开始工程流程并制作实际零件。”相关人员说。

       随着回收的飞机部件越来越难获得，Werco增加了两台Roboze Argo 500 3D打印机，从头开始制造这些部件。这些打印机设计用于使用PEEK和碳PEEK等高性能材料，使车间能够生产与金属部件功能类似的非金属部件。

       该公司还没有准备好投资金属3D打印系统，但它需要一种方法来生产与金属相似的部件。

相关人员指出，教练机的功能性部件会经历大量的磨损，传统聚合物在这类应用中不够耐用，但高性能聚合物（如 PEEK）和复合材料（如碳 PEEK）却足够耐用。

       高性能聚合物材料不仅能够应用在这种生活领域中，还可以应用在飞机零件上。Roboze 打印机的最大亮点就是能够使用这些高性能材料进行零件制造，可以说Roboze Argo 500为使用高性能材料而生，它具有可以加热功的打印室和打印板，以及长丝干燥和预热系统，确保用户可以准确一致地打印高性能聚合物和复合材料。

更好更快更强

       Werco制造中心能够通过车床或铣床将碳纤维PEEK零件进行机械加工。这有很多的优势，一方面，通过增材制造和减材制造相结合的方式能够更快更便捷地得到想要的零件。另一方面，通过机械加工的方式去除3D打印零件的支撑可以减小误差，使零件具有高精度只要3D打印部件可以固定并且是实心的（或接近实心的），加工它就像加工金属部件一样方便。

       Werco已经发现了使用更强的高性能材料如PEEK和碳PEEK的许多好处。首先，碳纤维PEEK部件可以通过车床或铣床进行机械加工。与手工打磨相比，机械加工是一种更快更容易完成零件的方法。

       该公司还用3D打印的机器零件来移除支撑和减小误差，使它们更接近回收零件的领域。根据公司的说法，只要3D打印的部分可以固定，加工起来就像加工金属部件一样方便。

       碳纤维PEEK比传统聚合物如ABS更坚固，更耐热，使得这些部件可以像金属一样加工。由于其较高的耐热性和保持负电荷的能力，碳纤维PEEK也可以粉末涂层。

       这些材料也比传统的聚合物部件更容易上漆和粉末涂层。相关人员表示：“我们可以将一个很大的部件分成多个部分，将它们粘合在一起，在它们上面做填充物，然后给它们上漆。”相关人员表示，3D 打印零件的喷漆工艺与金属零件相同，但车间在将 ABS 和 PLA 等传统材料放入加热的喷漆房时需要小心。PEEK和碳纤维PEEK的耐热性足够高，可以毫无问题地处理喷漆房的温度。高耐热性以及保持负电荷的能力还允许碳 PEEK 进行粉末涂层。

经验与教训

       现在，Werco拥有这种机器已经两年了，相关人员说，他们已经学到了一些关于3D打印高性能材料的重要经验。首先，回归现实，引进了标准的ABS和PLA。事实上，Argo可以打印传统的和高性能的纤维是一个额外的奖励，因为机器没有一个封闭的材料生态系统，可以从许多来源获得标准的纤维。估计，该公司60%的3D打印工作是碳PEEK，其余40%平均分配给普通PEEK和ABS。

       由于大部分零件都是用高性能材料打印的，Werco会根据线轴上剩余的材料量组织生产。相关人员指出，这些细丝材价格并不便宜，因此不希望出现一个卷筒没有足够的丝材而另一个卷筒还有剩余的丝材的情况。

      “我们肯定会努力通过卷上的丝量来衡量零件的运行情况。”他指出，在一卷上留下20英尺的碳纤维PEEK丝并不是“大事”，但随着时间的推移，这些成本会造成成本的增加。Werco会通过卷筒上的灯丝数量判断零件的打印情况，这一过程一开始是为了确保丝线轴对打印来说不会太小，但它还有一个额外的好处，即使操作人员能够检查打印后还会剩下多少丝料。Roboze正在开发软件，使用户在不影响部件打印的情况下切换中间细丝卷，Werco也正在努力寻找一种方法，将较小的纤维片融合在一起并重新缠绕它们。

未来机遇与挑战

       相关人员表示，由于目前制造最终用途零件、内部工具产品和原型/测试零件的任务量巨大，Werco几乎每天都在运行这两台3D打印机。所以Werco正在考虑使用 Roboze Argo 1000（打印体积为：1,000 × 1,000 × 1,000 mm）来打印更大的零件。制造中心可以直接制造大尺寸零件，而不必打印较小的零件，通过组装和涂漆获得尺寸更大的零件。该公司还期待与来自Roboze的新型高性能材料合作，包括由切碎的陶瓷纤维加强的Helios PEEK 2005。这种材料将具有更高的热性能，由于其更好的表面光洁度，可能需要更少的后处理。

       Werco希望能将在教练机3D打印方面的成功转化为实际飞机上的3D打印。相关人员认为，碳纤维PEEK具有优异的耐机械冲击性、耐热性和耐化学性，可代替金属部件。这些零件可以进行机加工以确保严格的精度，并像金属零件一样涂漆或涂层。他还指出，碳纤维PEEK零件比3D打印金属零件需要更少的后处理。

       Werco 已经注意到了航空领域对小批量和一次性零件的需求。相关人员说：“俄克拉荷马城的Tinker Air Force刚刚提供了一份备件清单，是一份 70 页的Excel电子表格，其中包含由于多种原因而难以获得的零件，这些零件要么没有相应的供应商，要么过于复杂了。因此，我们正在查看该清单，希望可以使用3D打印技术制造符合规格的零件。"但他表示，问题在于，目前还没有一个切实可行的途径来让替代部件获得批准。Werco目前正在与其他公司合作解决这个问题。

文章来源：additivemanufacturing、荣格复材技术