隨著3D打印材料的進步，它們的應用也在進步。PEEK等高性能聚合物以及含碳纖維和陶瓷纖維的復合材料具有與金屬相似的溫度、機械和化學電阻，許多行業(yè)已發(fā)現(xiàn)其性能符合某些應用的要求。但這些材料的極限是什么？行業(yè)仍在努力找出用3D打印的超級聚合物和復合材料取代傳統(tǒng)制造的金屬部件的界限。

PEEK、碳纖維復合材料和陶瓷纖維復合材料具有與金屬相似的耐溫性、耐機械沖擊性和耐化學性。由這些聚合物和復合材料制成的零件具有很多優(yōu)異的性能，那么用3D打印的高性能聚合物材料和復合材料部件代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造的金屬部件可行嗎？

除了制造最終用途部件外，Werco Manufacturing還為商業(yè)航空公司和國防行業(yè)制造維護和部件任務訓練器。教練機可以小到幾個零件，也可以大到飛機機身，通常是用回收的飛機制造的。

替?zhèn)鹘y(tǒng)制造的金屬部件可行嗎？

Werco Manufacturing是俄克拉何馬州Broken Arrow的一家航空航天和國防制造商，也是一家正在探索這個問題的公司。2020年，該公司在其制造能力中增加了兩臺Roboze Argo 500 3D打印機，其中還包括鈑金制造、焊接、數(shù)控加工和零件精加工。該公司的大部分業(yè)務（約70%）來自軍方，其余業(yè)務則來自于商業(yè)航空公司。

Werco 不僅為航空航天和國防制造最終用途零件，還專門制造用于飛機訓練的“教練機”。Werco首席運營官說：“我們不是在建造整個飛行模擬器，主要是維修教練機和部分任務教練機。我們能制作駕駛艙內(nèi)所有部件的'教練機’。這些教練機可能像飛機機身一樣，非常龐大和復雜，或者像幾個組裝零件一樣簡單?！?/p>

客戶首先告訴 Werco最終產(chǎn)品的要求，包括它需要低保真、中保真還是高保真度，然后制造車間根據(jù)這些要求生產(chǎn)教練機。

高保真的教練機需要盡可能在性能、外觀等方面接近實際飛機，它們通常使用回收的飛機零件制成。但是，能夠回收的飛機零件越來越難。

3D打印很適合替換回收的零件，因為這項工作體積小，而且是一次性的不需要批量化生產(chǎn)。不再需要進行回收、改造、制造等環(huán)節(jié)，大大提高了制造效率?！霸诘谝惶?，我們就可以開始工程流程并制作實際零件?！毕嚓P(guān)人員說。

隨著回收的飛機部件越來越難獲得，Werco增加了兩臺Roboze Argo 500 3D打印機，從頭開始制造這些部件。這些打印機設(shè)計用于使用PEEK和碳PEEK等高性能材料，使車間能夠生產(chǎn)與金屬部件功能類似的非金屬部件。

該公司還沒有準備好投資金屬3D打印系統(tǒng)，但它需要一種方法來生產(chǎn)與金屬相似的部件。

相關(guān)人員指出，教練機的功能性部件會經(jīng)歷大量的磨損，傳統(tǒng)聚合物在這類應用中不夠耐用，但高性能聚合物（如 PEEK）和復合材料（如碳 PEEK）卻足夠耐用。

高性能聚合物材料不僅能夠應用在這種生活領(lǐng)域中，還可以應用在飛機零件上。Roboze 打印機的最大亮點就是能夠使用這些高性能材料進行零件制造，可以說Roboze Argo 500為使用高性能材料而生，它具有可以加熱功的打印室和打印板，以及長絲干燥和預熱系統(tǒng)，確保用戶可以準確一致地打印高性能聚合物和復合材料。

更好更快更強

Werco制造中心能夠通過車床或銑床將碳纖維PEEK零件進行機械加工。這有很多的優(yōu)勢，一方面，通過增材制造和減材制造相結(jié)合的方式能夠更快更便捷地得到想要的零件。另一方面，通過機械加工的方式去除3D打印零件的支撐可以減小誤差，使零件具有高精度只要3D打印部件可以固定并且是實心的（或接近實心的），加工它就像加工金屬部件一樣方便。

Werco已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了使用更強的高性能材料如PEEK和碳PEEK的許多好處。首先，碳纖維PEEK部件可以通過車床或銑床進行機械加工。與手工打磨相比，機械加工是一種更快更容易完成零件的方法。

該公司還用3D打印的機器零件來移除支撐和減小誤差，使它們更接近回收零件的領(lǐng)域。根據(jù)公司的說法，只要3D打印的部分可以固定，加工起來就像加工金屬部件一樣方便。

碳纖維PEEK比傳統(tǒng)聚合物如ABS更堅固，更耐熱，使得這些部件可以像金屬一樣加工。由于其較高的耐熱性和保持負電荷的能力，碳纖維PEEK也可以粉末涂層。

這些材料也比傳統(tǒng)的聚合物部件更容易上漆和粉末涂層。相關(guān)人員表示：“我們可以將一個很大的部件分成多個部分，將它們粘合在一起，在它們上面做填充物，然后給它們上漆?！毕嚓P(guān)人員表示，3D 打印零件的噴漆工藝與金屬零件相同，但車間在將 ABS 和 PLA 等傳統(tǒng)材料放入加熱的噴漆房時需要小心。PEEK和碳纖維PEEK的耐熱性足夠高，可以毫無問題地處理噴漆房的溫度。高耐熱性以及保持負電荷的能力還允許碳 PEEK 進行粉末涂層。

經(jīng)驗與教訓

現(xiàn)在，Werco擁有這種機器已經(jīng)兩年了，相關(guān)人員說，他們已經(jīng)學到了一些關(guān)于3D打印高性能材料的重要經(jīng)驗。首先，回歸現(xiàn)實，引進了標準的ABS和PLA。事實上，Argo可以打印傳統(tǒng)的和高性能的纖維是一個額外的獎勵，因為機器沒有一個封閉的材料生態(tài)系統(tǒng)，可以從許多來源獲得標準的纖維。估計，該公司60%的3D打印工作是碳PEEK，其余40%平均分配給普通PEEK和ABS。

由于大部分零件都是用高性能材料打印的，Werco會根據(jù)線軸上剩余的材料量組織生產(chǎn)。相關(guān)人員指出，這些細絲材價格并不便宜，因此不希望出現(xiàn)一個卷筒沒有足夠的絲材而另一個卷筒還有剩余的絲材的情況。

“我們肯定會努力通過卷上的絲量來衡量零件的運行情況?！彼赋?，在一卷上留下20英尺的碳纖維PEEK絲并不是“大事”，但隨著時間的推移，這些成本會造成成本的增加。Werco會通過卷筒上的燈絲數(shù)量判斷零件的打印情況，這一過程一開始是為了確保絲線軸對打印來說不會太小，但它還有一個額外的好處，即使操作人員能夠檢查打印后還會剩下多少絲料。Roboze正在開發(fā)軟件，使用戶在不影響部件打印的情況下切換中間細絲卷，Werco也正在努力尋找一種方法，將較小的纖維片融合在一起并重新纏繞它們。

未來機遇與挑戰(zhàn)

相關(guān)人員表示，由于目前制造最終用途零件、內(nèi)部工具產(chǎn)品和原型/測試零件的任務量巨大，Werco幾乎每天都在運行這兩臺3D打印機。所以Werco正在考慮使用 Roboze Argo 1000（打印體積為：1,000 × 1,000 × 1,000 mm）來打印更大的零件。制造中心可以直接制造大尺寸零件，而不必打印較小的零件，通過組裝和涂漆獲得尺寸更大的零件。該公司還期待與來自Roboze的新型高性能材料合作，包括由切碎的陶瓷纖維加強的Helios PEEK 2005。這種材料將具有更高的熱性能，由于其更好的表面光潔度，可能需要更少的后處理。

Werco希望能將在教練機3D打印方面的成功轉(zhuǎn)化為實際飛機上的3D打印。相關(guān)人員認為，碳纖維PEEK具有優(yōu)異的耐機械沖擊性、耐熱性和耐化學性，可代替金屬部件。這些零件可以進行機加工以確保嚴格的精度，并像金屬零件一樣涂漆或涂層。他還指出，碳纖維PEEK零件比3D打印金屬零件需要更少的后處理。

Werco 已經(jīng)注意到了航空領(lǐng)域?qū)π∨亢鸵淮涡粤慵男枨?。相關(guān)人員說：“俄克拉荷馬城的Tinker Air Force剛剛提供了一份備件清單，是一份 70 頁的Excel電子表格，其中包含由于多種原因而難以獲得的零件，這些零件要么沒有相應的供應商，要么過于復雜了。因此，我們正在查看該清單，希望可以使用3D打印技術(shù)制造符合規(guī)格的零件。"但他表示，問題在于，目前還沒有一個切實可行的途徑來讓替代部件獲得批準。Werco目前正在與其他公司合作解決這個問題。