為了能夠在不影響關(guān)鍵性能的前提下，以更低的成本將零部件更快地推向市場，OEMs及復(fù)合材料供應(yīng)鏈的成員們正在不斷尋求新的方法。隨著模擬工具的日益精確以及材料成型速度的日益加快，最終限制新產(chǎn)品上市速度的重要一步，就是部件成型所需的高成本、長交貨期的金屬模具的制造過程。為了縮短這一步驟，人們將更多的注意力集中到了增材制造技術(shù)上，希望通過對聚合物和金屬的3D打印來制造可行的模具，以化解這一關(guān)鍵步驟帶來的瓶頸。

 

    采用傳統(tǒng)的“減材”制造方法，如研磨、切割、鉆削和電火花加工等，制造一副用于模壓或注射成型的P20鋼大型汽車模具，可能需要24 周的時(shí)間，相比之下，增材制造能將模具的制造周期從幾個(gè)月縮短到幾周甚至幾天，同時(shí)還能降低成本和重量，重量的減輕則有助于減少模具制造帶來的碳足跡。

 

    作為美國能源部（簡稱DOE）先進(jìn)復(fù)合材料制造創(chuàng)新研究所（簡稱IACMI）支持的一個(gè)大型研究項(xiàng)目的一部分，美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（簡稱ORNL）所屬的制造示范工廠（簡稱MDF）開展了一項(xiàng)初步研究——用熱塑性復(fù)合材料3D打印用于模壓成型片狀模塑料（SMC）的模具，如圖1所示。

圖1 由ORNL和IACMI 聯(lián)合開展的一項(xiàng)研究，嘗試采用耐高溫的碳纖增強(qiáng)熱塑性塑料，在大型增材制造系統(tǒng)上3D打印出用于產(chǎn)品開發(fā)的SMC模壓成型模具。雖然還有更多的工作要做，但這項(xiàng)研究表明，此概念是可行的，它為那些準(zhǔn)備開發(fā)新的復(fù)合材料部件的制造商提供了除依靠模擬或者花費(fèi)大量的時(shí)間和成本制造硬模具之外的第三種方案（圖片來自O(shè)RNL）

 

 

    該項(xiàng)目是作為一個(gè)更大的、多年期的IACMI項(xiàng)目的一部分而開始的，參與IACMI項(xiàng)目的成員包括一家歐洲的汽車制造商，以及代表汽車復(fù)合材料供應(yīng)鏈的IACMI組織的成員。

 

    “我們這個(gè)項(xiàng)目的OEM合作伙伴想要了解有關(guān)SMC的知識，所以我們設(shè)計(jì)了一系列的試驗(yàn)來探索什么是可行的，同時(shí)保持開放的心態(tài)。”位于田納西大學(xué)諾克斯維爾分校的、由ORNL主管的IACMI的所長兼首席技術(shù)官Uday Vaidya回憶說，“我們的研究需要解決的一個(gè)問題是，看看能否3D打印出用于成型SMC的復(fù)合材料模具。”

 

   “從一開始我們就知道，我們制造的模具不夠耐用，無法用于商業(yè)生產(chǎn)。”ORNL的復(fù)合材料創(chuàng)新集團(tuán)制造科學(xué)部研發(fā)專職科學(xué)家Ahmed Arabi Hassen補(bǔ)充道，“但是，快速、低成本地制造原型模具的前景，為我們提供了一個(gè)探索未知的機(jī)遇，因?yàn)檫@能夠?yàn)橹圃焐烫峁┮环N新的方法，以取代單純依靠模擬或者耗費(fèi)時(shí)間和成本來制造硬模具的方法。”

 

    研究人員們首先定義了用于成型SMC的模壓模具對性能的要求，包括能夠耐受130～150℃的模溫以及13.8 MPa的成型壓力。

 

    從修邊模具到耐高溫、耐高壓的熱壓罐模具，ORNL的團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)對3D打印聚合物和金屬的模具作過研究。該項(xiàng)目則是ORNL第一次嘗試采用3D打印的方法來制造一種用于模壓成型SMC的聚合物模具，這可能也是在全球開展的第一個(gè)這樣的研究工作。ORNL的MDF采用的大型增材制造（BAAM）打印機(jī)由美國辛辛那提公司和ORNL共同開發(fā)，這臺擠出（熔絲制造類型）打印機(jī)裝有大型噴嘴（直徑10.16 mm），沉積速度45kg/h，能采用粒料形式的聚合物原料打印出長6m、寬2.5m以及高1.8m的部件。BAAM打印機(jī)能夠快速打印出大型部件的代價(jià)是打印的分辨率低，同時(shí)會產(chǎn)生凹凸不平的表面，因此需要后續(xù)加工。為了確保在打印及清理完畢后獲得正確的尺寸，打印的模具路徑會略有增大。

 

    “因?yàn)槲覀冎耙呀?jīng)探索過所有容易實(shí)現(xiàn)的目標(biāo), 比如3D打印鋪層模具和熱壓罐模具，所以我們已經(jīng)篩選出了可以在BAAM機(jī)器上打印的各種熱塑性塑料。”Hassen繼續(xù)說道，“我們已經(jīng)確定了3種耐高溫的碳纖維增強(qiáng)材料，它們具有成型SMC所需的熱性能和力學(xué)性能。”

 

    這3種材料包括兩種無定形熱塑性塑料，即碳纖增強(qiáng)聚苯砜（CF/PPSU）和碳纖增強(qiáng)聚醚砜（CF/PES或CF/PESU），以及一種半結(jié)晶材料，即碳纖增強(qiáng)聚苯硫醚（CF/PPS）。鑒于通常在BAAM機(jī)器上打印的部件尺寸很大，研究人員們選用了碳纖維而不是玻璃纖維增強(qiáng)的聚合物來為模具提供必要的剛度和強(qiáng)度以及實(shí)現(xiàn)減重。此前，MDF團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為每種聚合物確定了碳纖增強(qiáng)材料的使用比例，比如，可以在半結(jié)晶PPS中添加40%～60%重量百分比（FWF）的碳纖維，50%被認(rèn)為是最佳比例。“我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳纖含量低于50%時(shí)，性能還有待提高，但高于60%卻出現(xiàn)了干纖維束。”Hassen補(bǔ)充道。

 

    由于PES和PPSU是無定形的，它們的粘度在潤濕或成型溫度下會更高，因此很難擁有高重量百分比的纖維，通常擁有的比重是20%～35%，其中25%被認(rèn)為是最佳比例。“雖然我們可以在PPS中添加更高比例的纖維，以獲得更高的力學(xué)性能，但是在打印某些形狀時(shí)，這種材料更容易變形和開裂，因?yàn)槟＞邷囟群蛪毫舷卵h(huán)變動。”Hassen表示。

 

 

    研究人員們首先采用碳纖增強(qiáng)PPS打印了一副正方形的飾板模具（如圖2所示），其最終的外形尺寸是355.6mm×355.6mm×3.2mm，要求該模具要能夠承受1.03MPa的成型壓力和130～150℃的成型溫度。為了便于打印，他們改變了模具中凸起部分的角度（90°）并垂直打印了最長的一面（在Z軸上）。此外，為了防止冷卻過程中熱的熱塑性塑料在凸起區(qū)域坍塌，他們添加了可移動的45°倒角支撐，隨即會在打印完成后用機(jī)加工方式將其去掉。模具的芯模和型腔側(cè)面在BAAM機(jī)器中被并行打印出來，整合到打印中的其他特征還包括插槽，它被打印在陰模的背面，用來容納頂出銷（如圖3所示）。鑒于打印后需要加工，以使成型表面獲得可接受的光潔度，他們將尺寸加大了5.08mm。打印后，將模具內(nèi)表面加工光滑，并在容納4個(gè)頂出銷的位置上進(jìn)行鉆孔，以將一個(gè)氣動頂出銷系統(tǒng)安裝到模具中。

圖2為飾板模具而設(shè)計(jì)的芯模和型腔，在BAAM 設(shè)備上采用碳纖增強(qiáng)PPS材料將其打印出來（圖片來自O(shè)RNL）

圖3 打印且加工后的模具兩個(gè)半模，包括用于容納試驗(yàn)用的氣動頂出銷系統(tǒng)的插槽（圖片來自O(shè)RNL）

 

    接著，將模具安裝到一臺模壓機(jī)中，利用壓機(jī)模板（將其溫度設(shè)置在190℃）對該模具間接或被動加熱12小時(shí)，使其達(dá)到180℃的溫度。如此長的加熱時(shí)間是必要的，這是因?yàn)榇蛴≡撃＞卟捎玫氖且环N熱導(dǎo)率很低的熱塑性塑料，雖然其中含有50% FWF的碳纖維（碳纖維本身的熱導(dǎo)率很高）。研究人員們通過嵌入式傳感器來監(jiān)測成型表面的溫度，他們發(fā)現(xiàn)，每次打開壓機(jī)、取出部件然后放入新的SMC時(shí)，溫度都會降低15～20℃，因此，有必要在打開壓機(jī)、放入材料開始下一成型周期之前，先取出部件，然后閉合壓機(jī)并等待模溫的再次升高。

 

    為了減少熱損耗，防止模具表面溫度降到150℃以下，他們在模具周圍放置了額外的隔熱材料，然后直接將SMC鋪放到復(fù)合材料的模具表面，采用150℃的成型溫度和10t的鎖模力成型并固化，停留時(shí)間為5min.。他們總共生產(chǎn)了12個(gè)部件，整體效果良好，如圖4所示。材料完全固化后，可以毫無問題地從CF/PPS模具表面（偶爾會向該表面噴脫模劑）脫離。此外，頂出銷系統(tǒng)運(yùn)行良好，成型過程中材料沒有在頂出銷的縫隙之間流動。

圖4 采用CF/PPS飾板模具成功地成型出了SMC的飾板（圖片來自O(shè)RNL）

 

 

    接下來，研究人員們擴(kuò)大了這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍，打印了一副更大、更復(fù)雜的汽車座椅靠背模具，尺寸是812.8mm×685.8mm×304.8mm。為了便于打印，這次他們再次改變了形狀，同時(shí)在凸起區(qū)域增加了可移動的支撐結(jié)構(gòu)，如圖5所示。這次采用的打印材料是25% FWF CF/PPSU，芯模和型腔半模分開打印，每一半都在4h內(nèi)打印完畢。和上次一樣，打印后利用機(jī)加工來清理表面。由于該模具很淺，所以無需頂出銷就能確保部件脫模。

 

圖5 采用CF/PPSU 材料打印的（上）及機(jī)加工后的（下）座椅靠背模具半模（圖片來自O(shè)RNL）

 

    和上次一樣，他們將該模具安裝到模壓機(jī)上，利用壓機(jī)模板（該模板同樣保持190℃的溫度）加熱12h，如圖6所示。由于這種打印材料的熱導(dǎo)率更低（因?yàn)樘祭w維的含量更低），所以模具表面只達(dá)到了105℃，這一溫度太低而無法固化SMC。和上次一樣，他們在模具周圍放置了隔熱材料以便更好地保溫。然而，再次加熱12小時(shí)后，整個(gè)成型表面的內(nèi)部溫度也只達(dá)到120～125℃。為確定此溫度是否足以固化SMC，他們將一塊坯料放入模具中，并施加30t的鎖模力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每一次開、合模后，模具的表面溫度會降低10～15℃，表明它無法維持SMC正常固化所需的溫度。為彌補(bǔ)溫度的降低，研究人員們討論了將溫度提高10～15℃的方法，但是，由于加熱模具需要的時(shí)間很長，所以他們認(rèn)為這不切實(shí)際。因此，他們只成功地生產(chǎn)出了兩個(gè)部件，一個(gè)部件完全固化，另一個(gè)部件存在固化不良的部分，如圖7所示。

 

圖6 安裝在壓機(jī)上準(zhǔn)備用于生產(chǎn)部件的汽車座椅靠背模具半模（圖片來自O(shè)RNL）

 

圖7 對更大更復(fù)雜的汽車座椅靠背模具進(jìn)行加熱和保溫都有難度，導(dǎo)致模具不均勻的加熱和變形，從而在部件中表現(xiàn)出固化不良（a）和開裂（b）問題（圖片來自O(shè)RNL）

 

 

 

 

    好的一面是，模具在幾天之內(nèi)就能被打印、加工和安裝好。雖然使用的材料成本要高得多，但依然比傳統(tǒng)的金屬模具省時(shí)省錢。此外，打印的模具能夠承受成型SMC所需的溫度和壓力，而且加工后成型表面的光潔度足以生產(chǎn)出表面光潔的部件，雖然不能達(dá)到汽車的A級表面質(zhì)量。

 

    另一方面，模具低的熱導(dǎo)率導(dǎo)致來自壓機(jī)熱模板的熱傳遞非常緩慢而令人無法接受，而且每次壓機(jī)打開時(shí)都會快速散熱。此外，兩副模具都擁有非均勻的結(jié)構(gòu)（由打印方向和纖維排列所致）和非均勻的熱剖面，這會導(dǎo)致PPS模具在延長的加熱周期中出現(xiàn)翹曲和裂縫，以及SMC 部件的薄段在PPSU模具中固化不一致。

 

    研究人員們得出結(jié)論，只是利用壓機(jī)模板的熱傳導(dǎo)來被動加熱模具的方法是低效的。所以，為了找到更快的模具加熱方法，他們進(jìn)行了頭腦風(fēng)暴：采用感應(yīng)加熱模具的方法所帶來的模具改裝成本和復(fù)雜性會超出這項(xiàng)短期研究的范圍，而使用熱導(dǎo)率更高的替代材料也是如此，因此，他們考慮將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到開發(fā)更有效的主動加熱方法上。他們提出并評估了幾個(gè)方案，包括將電阻加熱織物和電熱絲集成到模具表面。

 

    “雖然我們發(fā)現(xiàn)了一些技術(shù)問題并需要去解決，比如，采用某種形式的綜合主動加熱方法來達(dá)到并保持SMC的成型溫度，但讓我們高興的是，我們對打印模壓成型用模具的瘋狂想法卻奏效了。”Hassen說道，“自從該項(xiàng)目結(jié)束后，它已被證明是更多研究項(xiàng)目的核心。”