【案例】用3D打印的PSU復(fù)合塑料模具制造直升機(jī)大型結(jié)構(gòu)件

▲用3D打印模具制成的塑料直升機(jī)零件

諸如直升機(jī)結(jié)構(gòu)件這樣的大型零件，通常是用重達(dá)數(shù)噸甚至數(shù)十噸的模具通過(guò)注塑工藝制成的。但這樣的方法不僅成本高，而且要求高，比如機(jī)床工作臺(tái)面必須能承受大重量；設(shè)備必須具有大承重和高剛性的特性，還要有足夠大的臺(tái)面尺寸和工作行程與之相適應(yīng)；制造模具用的高速萬(wàn)能銑床必須有很高的動(dòng)、靜剛度，以提高機(jī)床的定位精度、跟蹤精度和抗振能力。

另外，由于模具的強(qiáng)度和硬度都很高，加上常常采用伸長(zhǎng)量較大的小直徑端銑刀加工模具型腔，加工過(guò)程種很容易發(fā)生顫振。

▲3D打印的模具

3D打印技術(shù)為大型模具制造帶來(lái)了新的切入點(diǎn)。就拿PSU塑料來(lái)說(shuō)，這種塑料耐蒸氣、耐水解、無(wú)毒、耐高溫蒸氣消毒、高透明、尺寸穩(wěn)定性好的塑料材料。這也為通過(guò)3D打印技術(shù)來(lái)加工PSU塑料模具，然后通過(guò)注塑完成最終產(chǎn)品的加工。對(duì)于小批量大型零件的制備，這是一種快、好、省的捷徑。

最近，普渡大學(xué)復(fù)合材料制造和模擬中心，Thermwood公司，應(yīng)用復(fù)合材料工程（ACE）和Techmer PM的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了通過(guò)3D打印PSU復(fù)合材料模具來(lái)實(shí)現(xiàn)直升機(jī)零部件的注塑目的。

據(jù)悉，這可能是碳纖維增強(qiáng)PSU塑料首次成功地被用于3D打印工藝。Thermwood的大型增材制造（LSAM-Large Additive Manufacturing）系統(tǒng)通過(guò)3D打印與機(jī)加工一次性用它將模具制造了出來(lái)。

團(tuán)隊(duì)的每個(gè)成員都在直升機(jī)零部件的生產(chǎn)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用：Techmer PM是高性能定制聚合物的制造商，由他們提供了專(zhuān)業(yè)的PSU材料; Thermood公司提供了其LSAM技術(shù);而專(zhuān)注于航空航天工業(yè)的復(fù)合材料專(zhuān)家ACE則通過(guò)3D打印的模具來(lái)創(chuàng)建最終的直升機(jī)零部件。

為了將3D打印方法與傳統(tǒng)制造方式進(jìn)行比較，團(tuán)隊(duì)專(zhuān)門(mén)做了兩種制造方式的經(jīng)濟(jì)性分析。根據(jù)分析結(jié)果，3D打印模具的材料比標(biāo)準(zhǔn)模具材料的成本低34％，在勞動(dòng)時(shí)間方面的生產(chǎn)速度提高了69％，3D打印模具只需三天時(shí)間就可以制造完成，而傳統(tǒng)的模具制造需要八天時(shí)間。

能夠?qū)�PSU材料用作模具，主要得益于LSAM強(qiáng)大的擠出系統(tǒng)可以達(dá)到PSU加工工程中所需的高溫和扭矩水平。

Thermwood開(kāi)發(fā)的LSAM系統(tǒng)是增材制造工藝與機(jī)加工切削工藝的巧妙結(jié)合，由3D打印完成粗糙的模型輪廓，通過(guò)使用CNC銑床將零件加工到精確尺寸，在3D打印的過(guò)程中就可以同步配合機(jī)加工切削的運(yùn)用，這款用于制造直升機(jī)零件模具的大型3D打印機(jī)的建造體積為10×20英尺。

隨后，直升機(jī)零件在275oF和90PSI的高壓釜中成型。3D打印模具保持真空，不需要特殊的涂層，在Tg（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）372°F的情況下，這種特殊的PSU復(fù)合材料配方能夠滿(mǎn)足高達(dá)350°F的零部件注塑環(huán)境要求，根據(jù)3D科學(xué)谷的了解這足以滿(mǎn)足今天加工中大約95％的復(fù)合材料部件。當(dāng)然，還需要進(jìn)行額外的測(cè)試以確定該材料在高溫下的適用性和耐久性。

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來(lái)源：3D科學(xué)谷