碳纖維/PEKK熱塑性3D打印復合材料艙門鉸鏈

瑞士9T Labs開發了一種包含 3 步制造工藝流程的增材融合技術 ( Additive Fusion Technology，AFT) ，并使用該技術制造了碳纖維/PEKK增強的3D打印直升機艙門鉸鏈。另外，與傳統連續復合材料增材制造不同的是，3D打印制成的預成型體需要進一步放入模具中熱壓成型，以消除孔隙，得到輕質高強的零件。由下圖可以看出，未經熱壓處理的3D打印結構孔隙率高于10%，熱壓處理后可小于1%。

這種集成的工藝鏈能夠批量生產纖維體積分數>60%、空隙率<1%~2%的零件，并且浪費最少，成本比金屬更低。AFT 能夠實現復雜、精細的細節以及非常精確的纖維路徑控制，實現更強的定制設計，達到優化承載能力、重量、制造速度和成本的目標。

 

加溫加壓前后的孔隙率對比

該項研究對空客EC135直升機艙門鉸鏈接頭進行了改進設計，原始方案為不銹鋼金屬結構，通過4個M8螺栓與飛機本體連接，該接頭承受的最大靜載荷為2.2kN。原金屬方案的承載能力為3kN。

 

金屬對照方案，不銹鋼零件，尺寸為 112 × 42 ×22.5mm

此前，瑞士和法國的一個聯合團隊采用短切碳纖維 (CF)/聚醚醚酮 (PEEK) 模壓工藝對該方案進行了設計，承載能力達到了4.2 kN。

 

短纖維增強復合材料模壓方案

當前9T Labs設計了3種連續碳纖維（CF）/聚醚酮酮 (PEKK) 3D打印方案，將單向帶劈分為1-2K 絲束與聚合物長絲一起打印。四個螺栓孔內加入了金屬襯套。

第一種3D打印方案是采用準各向同性方案（黑金屬方案），即0/90/±45鋪層比例為1:1:2，底板和立筋分別由34層和26層組成，每層厚度為0.2毫米。

 

“黑金屬”方案——準各向同性復合材料方案

第二種3D打印方案是根據拓撲優化的傳力路徑對纖維取向進行了優化，以充分利用各向異性復合材料的可設計性。與黑金屬設計相比，優化后的設計將失效載荷提高了200%。

為了進一步提高零件的強度，研究人員進行了第二次優化，在初始失效區域增加纖維對結構進行增強。 第三種新方案使失效載荷又增加了 45%，并將失效區域轉移到垂直板的鉸鏈銷區域。

 

結構拓撲優化

 

按照拓撲優化結果設置打印路徑及局部增強

兩種3D打印改進設計是使用多體策略生產，將零件分為四個子部分（下圖所示）。這種方法允許所有空間方向上的纖維充分利用連續纖維打印的各向異性特征，使纖維方向與承載方向對齊。四個子部件在鋼模具套件中通過壓縮成型融合在一起。成型溫度 350°C，壓力45 千牛，固化時長20 分鐘。

 

子部件劃分及3D打印

幾種方案的比較      

原金屬方案：重量為135g，承載3.0kN；

短切纖維方案：重量約21g，承載4.2kN；

準各向同性3D打印方案：重量20g，承載1.6kN（該數據感覺有些異常）；

拓撲優化后3D打印方案：重量25g，承載4.8kN；

二次優化后3D打印方案：重量27.5g，承載6.9kN；

最終的連續纖維增強3D打印優化方案比原金屬方案重量減輕了輕 75%，同時最大承載能力提升了超過 200%。

 

 

重量及承載能力對比 

參考文獻：

Zhilyaev I, Grieder S, Küng M, Brauner C, Akermann M, Bosshard J, Inderkum P, Francisco J and Eichenhofer M (2022) Experimental and numerical analysis of the consolidation process for additive manufactured continuous carbon fiber-reinforced polyamide 12 composites. Front. Mater. 9:1068261. doi: 10.3389/fmats.2022.1068261

Nicolas Eguemann, L. Giger, M. Roux, C. Dransfeld, Frédéric Thiebaud, et al.. Compression moulding of complex parts for the aerospace with discontinuous novel and recycled thermoplastic composite materials. 19th International Conference on Composite Materials, Jan 2013, France. pp.1 - 11.