不使用高成本的模具制成的中部底盤車頂框架：采用基于擠出的3D打印技術(shù)制成的芯層，結(jié)合采用AFP技術(shù)鋪放的上下表皮層，即制成了中部底盤車頂框架，其強(qiáng)度和剛度能與空心的鋼制部件相媲美，但卻減輕了40%的質(zhì)量，減小了50%的橫截面，而且還消除了以前的MAI Skelett設(shè)計(jì)所需要的注射模具成本（圖片來(lái)自寶馬和TUM） 

 

    2019年，由德國(guó)寶馬公司領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)名為MAI Skelett 的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，展示了一個(gè)復(fù)合材料的前擋風(fēng)玻璃框架，其設(shè)計(jì)是為了采用單向碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（CFRTP）的拉擠件來(lái)取代以前的熱固性復(fù)合材料技術(shù)。在一個(gè)75s的兩步法工藝中，首先熱成型拉擠件，然后對(duì)其進(jìn)行包覆注射成型，由此而生產(chǎn)出的結(jié)構(gòu)車頂部件，性能超過(guò)了以前部件的所有要求。2020年，德國(guó)西格里碳纖維（SGL Carbon）公司和德國(guó)Koller Kunststofftechnik 公司一起，獲得了寶馬的多年訂單，開(kāi)始為前擋風(fēng)玻璃和后窗用的框架批量生產(chǎn)碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料。

MAI Skelett項(xiàng)目展示的熱塑性復(fù)合材料的擋風(fēng)玻璃框架，是對(duì)碳纖維的拉擠件（下）進(jìn)行包覆注射而制成的，該部件被用于寶馬iX SUV上 

 

    2019年，寶馬的工程師們開(kāi)始與慕尼黑理工大學(xué)（TUM）合作，研究如何利用3D打印來(lái)降低此類部件的注射成本。多年來(lái)，TUM一直在開(kāi)展各種項(xiàng)目研究，探討如何將傳統(tǒng)的復(fù)合材料生產(chǎn)工藝如自動(dòng)纖維鋪放（AFP）與采用連續(xù)纖維增強(qiáng)材料的3D打印結(jié)合起來(lái)。寶馬輕量化結(jié)構(gòu)與技術(shù)中心的技術(shù)開(kāi)發(fā)工程師Franz Maidl解釋說(shuō)：“注射成型用的模具非常昂貴，我們的目標(biāo)是，獲得一種完全能與MAI Skelett技術(shù)相媲美的解決方案，但希望用3D打印來(lái)大幅降低成本。”

 

    為了對(duì)Skelett車頂框架進(jìn)行下一代的革新，研究人員采用兩種不同的3D打印方法以及連續(xù)的碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料制成了兩個(gè)不同的示范部件。他們使用選擇性激光燒結(jié)（SLS）和注射或AFP技術(shù)，對(duì)MAI Skelett項(xiàng)目示范的前車頂框架作了改進(jìn)。而本文所介紹的部件，則是將基于擠出的3D 打印與AFP結(jié)合起來(lái)，用于生產(chǎn)一個(gè)位于底盤邊框之間B 柱連接處的中間車頂框架。這兩個(gè)框架都略微彎曲，與底盤框架一起形成一個(gè)閉合的箱體結(jié)構(gòu)，提供了必要的剛度和抗扭力。但是，前車頂框架還需要與擋風(fēng)玻璃以及用于內(nèi)飾部件的多個(gè)附件相配合。

 

 

    由Maidl領(lǐng)導(dǎo)的寶馬團(tuán)隊(duì)將SLS 和擠出確定為最適合車頂框架的3D打印工藝。SLS是利用激光將粉末材料燒結(jié)成由部件的3D CAD 模型定義的固體，比如，意大利CRP Technology公司就采用其添加了碳纖維粉碎料的多個(gè)級(jí)別的Windform 材料和SLS工藝來(lái)制造復(fù)合材料的部件。

 

    為了將SLS 工藝與CFRTP材料結(jié)合起來(lái)，寶馬團(tuán)隊(duì)采用SLS工藝打印出非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，以形成可以注射或鋪放熱塑性CFRP材料的空腔。Maidl說(shuō)：“我們首先打印出這個(gè)部件，然后放入CFRP 增強(qiáng)材料，接著放入金屬嵌件。” 金屬嵌件可用于將車頂框架與周圍的結(jié)構(gòu)連接起來(lái)。第二個(gè)工藝選項(xiàng)是基于機(jī)器人的擠出，即塑料顆粒熔化后，安裝在機(jī)器人手臂上的3D打印頭對(duì)塑料熔體進(jìn)行沉積。“這對(duì)我們來(lái)說(shuō)更有吸引力，因?yàn)樗萐LS便宜。”Maidl表示。

 

    “采用擠出技術(shù)還可以利用回收材料。” TUM的3D打印研究助理和專家Alexander Matschinski說(shuō)道， “我們采用了一種注射級(jí)別的材料，它比SLS材料便宜10倍。”

 

    Maidl表示，每千克不到5歐元的成本對(duì)于SLS而言是不可能的。采用SLS工藝的問(wèn)題是，雖然可以重復(fù)使用從以前的打印中收集而來(lái)的粉末，但由于已經(jīng)被加熱過(guò)一次, 導(dǎo)致材料會(huì)喪失一些特性和可加工性，所以，必須加入至少50%體積比的新粉末。為確保加入的比例正確，還需要投入成本對(duì)此進(jìn)行監(jiān)控。而采用擠出，只需將以前的材料粉碎后，放入熔體料斗中，即可再次使用。用于該項(xiàng)目的擠出機(jī)由德國(guó)Hans Weber Maschinenfabrik公司提供。

 

    “擠出還允許我們使用批量生產(chǎn)的材料級(jí)別，所以，這是一項(xiàng)非常具有成本效益的工藝。”Matschinski說(shuō)道，“另一方面的優(yōu)勢(shì)是材料的沉積速度高。在大型加工中，最大的材料沉積速度可達(dá)2～35 km/h，而其他工藝的加工速度大多局限在1 km/h以內(nèi)。"

 

    為了生產(chǎn)該項(xiàng)目的示范件，采用TUM的AM Flexbot打印機(jī)（由荷蘭CEAD公司提供）和由短切碳纖維（CF）增強(qiáng)的一種標(biāo)準(zhǔn)的聚酰胺（PA）配混料（由德國(guó)AKRO-PLASTIC公司提供）打印出基本形狀，然后采用AFP 技術(shù)鋪放單向碳纖PA帶，以對(duì)局部進(jìn)行加強(qiáng)。這些帶材由西格里碳纖維（SGL Carbon）提供。由于打印用的材料和局部加強(qiáng)用的材料使用了相同類型的纖維和基體材料，因而更便于回收。“我們的設(shè)計(jì)是構(gòu)建一個(gè)夾層結(jié)構(gòu)，即在3D打印的芯層上下鋪放AFP表皮層。” Maidl解釋道， “這使我們消除了模具成本，幫助我們創(chuàng)造了一個(gè)具有經(jīng)濟(jì)吸引力的商業(yè)案例。”

3D打印的芯層, AFP的表皮層：正弦圖案為采用一種擠出的CF/PA配混料3D打印出芯層提供了連續(xù)的路徑，隨后采用AFP將 UD CF/PA帶材鋪放到芯層的上下表面，從而低成本地創(chuàng)造出一種堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)自寶馬和TUM） 

 

 

    針對(duì)部件的芯層，該項(xiàng)目選擇了對(duì)稱的正弦波圖案，這是為什么呢？

 

    “最佳圖案的選用取決于打印工藝，也取決于下一個(gè)工藝步驟以及所要求的整體機(jī)械性能。” Matschinski說(shuō)道，“對(duì)于我們的機(jī)器人打印機(jī)而言，最有效的圖案是，要有連續(xù)的材料沉積路徑。所以，這是一種從頭到尾無(wú)窮盡的曲線形狀，即正弦波，它為采用AFP鋪放帶材提供了平臺(tái)。”

 

    “此外，該部件基本上是一個(gè)輕微彎曲的梁，一邊會(huì)產(chǎn)生張力，另一邊會(huì)產(chǎn)生壓力。” Matschinski繼續(xù)說(shuō)道，“為了使這些負(fù)荷從一邊傳遞到另一邊，需要按±45º鋪放纖維，我們?cè)O(shè)計(jì)的圖案做到了這一點(diǎn)。因此，正弦波變成了剪切網(wǎng)。通過(guò)選擇曲線半徑，就能生成平順的機(jī)器人打印路徑。”

 

    “我們采用600 g的材料，打印芯層的時(shí)間不到30 min。” Maidl說(shuō)道，“這非?？?。然后我們采用AFP技術(shù)，通過(guò)向前移動(dòng)片層來(lái)鋪放增強(qiáng)材料。接著，在最后一步中加入金屬嵌件和板材。” 這些金屬嵌件可由機(jī)器人或人工放置，也可以用超聲波焊接。

 

 

    Matschinski 表示，所有的機(jī)器人加工都具有極高的可重復(fù)性。“但你必須用定義好的形狀將打印的部件放進(jìn)來(lái)，以便于纖維鋪放。你可以在特定的區(qū)域加工這個(gè)部件，以獲得所需的精度，比如，需要放置嵌件的區(qū)域或者需要連接其他部件的區(qū)域。這意味著需要將增材制造與減材制造結(jié)合起來(lái)，而CEAD機(jī)器人就是為此而設(shè)計(jì)的。”

 

    他推測(cè)說(shuō)，更好的商業(yè)案例是更快地打印，然后加工成最終的形狀，而不是緩慢而精確地打印。“為了與100 kg/h的傳統(tǒng)注射成型速度相媲美，最好是以10 kg/h的速度進(jìn)行打印，只需略微加工表面即可，而不是按諸如1 kg/h的速度進(jìn)行高精度的打印。”

 

    “答案還取決于哪里需要高精度。”Maidl補(bǔ)充道，“中間車頂框架有兩個(gè)點(diǎn)要與汽車的金屬框架相連。這些點(diǎn)處存在公差問(wèn)題，而在這些點(diǎn)之間就沒(méi)有公差問(wèn)題了。對(duì)于前車頂框架，采用SLS工藝和CFRTP材料可以獲得較高的精度，這使我們克服了擋風(fēng)玻璃和內(nèi)飾附件處的公差問(wèn)題。” 他解釋道，現(xiàn)在，寶馬正在努力將基于擠出的3D打印和 AFP 方法應(yīng)用到更復(fù)雜的部件上。

 

    “最終，我們生產(chǎn)出的部件要比空心的鋼部件輕40%。” 他說(shuō)道， “我們還在確保性能極為相似的情況下將中間底盤框架的橫截面減小了50%。” Matschinski表示，這只是“3D打印+擠出+AFP“的綜合技術(shù)所能做到的一個(gè)例子。

 

    該研發(fā)項(xiàng)目現(xiàn)已結(jié)束，寶馬團(tuán)隊(duì)獲得了理想的內(nèi)部技術(shù)就緒指數(shù)。“我們對(duì)短纖維打印的桁架很感興趣，并已獲準(zhǔn)為一個(gè)零排放的汽車項(xiàng)目開(kāi)發(fā)一種結(jié)構(gòu)部件。” Maidl介紹說(shuō)。

 

取代金屬的機(jī)器人夾持器：現(xiàn)在，3D打印與AFP技術(shù)的結(jié)合已被擴(kuò)展到為裝配機(jī)器人制造輕便、堅(jiān)固的夾持器，以便以更快的速度和更高的精度來(lái)拾取大型模塊，如車頂和舉升門。上圖的黃色為金屬夾持器，下圖的黑色為復(fù)合材料的夾持器。這種新方法降低了25%的成本、20%的重量和60% 的碳排放，并縮短了50%的交貨時(shí)間（圖片來(lái)自寶馬） 

 

    “我們也有興趣將這項(xiàng)技術(shù)用于制造機(jī)器人用的夾持器。” Maidl表示，“與目前裝配生產(chǎn)中用于拾取復(fù)合材料車頂?shù)慕饘賷A持器以及安裝這些模塊的其他金屬工具相比，我們提供的解決方案更快、更便宜且更輕。將3D打印與復(fù)合材料結(jié)合起來(lái)，能夠制成更堅(jiān)固、更輕質(zhì)的夾持器，而且訂制這種一次性的裝置，其成本更低、交貨期更短。對(duì)于廣泛的應(yīng)用而言，我們看到了3D打印與連續(xù)纖維相結(jié)合所帶來(lái)的減重降本優(yōu)勢(shì)及供應(yīng)鏈方面的優(yōu)勢(shì)，它具有低成本生產(chǎn)高性能部件的潛力。”