Caracol大幅面增材制造（LFAM）解決方案為航空航天領域賦能

導讀：增材制造發(fā)展至今，其在航空航天領域的應用重要性已經不言而喻。當然，這不僅僅只是指某個單一的增材制造工藝。航空航天行業(yè)的原始設備制造商（OEM）越來越多地針對各種用例選擇廣泛的 3D 打印工藝和解決方案，從直接金屬激光燒結 (DMLS) 到熔融沉積成型 (FDM) ），到大幅面增材制造（LFAM）。

在開發(fā)LFAM解決方案的廠商中，意大利公司 Caracol是一家典型代表，該公司可以支持航空航天制造商生產大型復合材料模具，并正在擴展其生產太空應用大型金屬結構零件的專業(yè)知識和能力。Caracol公司獨特且多功能的 LFAM 解決方案（適用于復合材料和金屬）具有多種優(yōu)勢，并使航空航天從業(yè)者者能夠達到更高水平的創(chuàng)新和效率。

Caracol 的 LFAM 解決方案

自 2017 年在米蘭成立以來，Caracol憑借其應用優(yōu)先的方法，已成為 LFAM 領域的關鍵領導者。早期，該公司只是一家 3D 打印服務提供商，利用其機器人增材制造技術以及內部設計和工程能力，為不同行業(yè)的合作伙伴生產一系列項目和合格的零件。此后，該公司又開發(fā)了聚合物和復合材料 LFAM 技術——Heron AM，并將其商業(yè)化。這是一款 6 軸機器人 3D 打印機，能夠生產無尺寸限制和復雜幾何形狀的零件。該平臺自推出以來，在多家先進行業(yè)知名OEM廠商得到應用。

大幅面 Heron AM 3D打印解決方案基于Caracol的專利硬件和專有軟件，與多種材料（包括 PP、ABS 和玻璃纖維或碳纖維增強 PC）兼容，為航空航天業(yè)帶來多項優(yōu)勢部門，包括：

• 減輕重量
• 零件整合
• 靈活的生產計劃
• 專用材料
• 復雜的設計
• 更少的消耗
• 降低成本
  

最近，Caracol 還進軍了金屬增材制造領域，目前他們正在開發(fā)線弧增材制造 (WAAM) 系統(tǒng)。該技術適用于生產大型金屬部件，例如非結構成品部件、用于測試的結構部件原型以及航天器的關鍵部件。該系統(tǒng)目前尚未商業(yè)化，但它是Caracol幾個創(chuàng)新研究項目的核心，其中包括一個針對航天工業(yè)的項目，我們將在下文中進一步介紹這一項目。

民用航空復合材料工裝

在民航行業(yè)，Caracol的HeronAM解決方案在復合材料模具的生產方面展現(xiàn)出巨大的應用潛力。例如，該技術已成功用于制造由玻璃纖維增強 ABS 制成的修整和鉆孔工具以及由碳纖維增強 ABS 材料制成的冷層壓工具。這兩種工具都用于飛機機身的生產和維護。

修整和鉆孔工具用于飛機機身的建造和維護，以對鋁、鈦和復合材料等材料進行切割和成型。機身部件必須尺寸精確并符合航空業(yè)的嚴格標準，因此飛機制造商必須有能力生產符合規(guī)格的高質量修整和切割工具。就其本身而言，冷層壓工具也是飛機制造和維護中的重要部分。具體來說，維修人員在現(xiàn)場維修機身系統(tǒng)時使用它們，在機身部件的表面涂上一層薄薄的保護膜，防止腐蝕、劃痕和其他操作損壞，從而有助于延長飛機的使用壽命。

在生產這些航空工具時，Caracol 使用了配備高流量 (HF) 擠出機的 Heron 300+ 配置。該 LFAM 系統(tǒng)采用無導軌標準配置，能夠打印長度長達三米的工具。兩種工具都是一體打印的，最大限度地減少了組裝需求，并使用 CNC 加工進行精加工，以確保嚴格的公差和最佳的表面光潔度。

與傳統(tǒng)的模具工藝相比，Caracol 的解決方案使航空制造商能夠減少材料浪費（高達 70-80%）、減輕模具重量（減少 80-90% 以方便運輸和存儲）并將交貨時間縮短一半（從 12周至 5-6 周），這反過來又可以顯著節(jié)省 50% 左右的成本。

用于 eVTOL 飛機的固化工具

Caracol 還在探索將其技術用于固化模具的生產當中，特別是在 eVTOL 飛機（電動垂直起降）等領域中的模壓熱固性預浸料過程。固化工具用于碳纖維層壓工藝，通常根據(jù)最終部件的幾何形狀進行定制設計。在電垂直起降飛行器生產中，這些工具是由高性能復合材料制成的，例如聚碳酸酯，其中含有 20% 的碳纖維增強材料，并且必須能夠耐受中溫熱壓過程 (高達 180°C 和 6bar的工作溫度和壓力)。利用 LFAM 直接生產復合模具可以減少生產步驟（即不再需要主模型）。此外，由于增材制造的設計靈活性，該工具可以針對重量和搬運進行優(yōu)化，便于物流和存儲。

Caracol 解釋道：“憑借其六軸和幾米寬的機械臂范圍，Heron AM 可在單個工作周期內打印具有復雜幾何形狀的固化工具，而無需組裝。大多數(shù)情況下，打印后的模具會通過 CNC 進行后處理，以達到其工作表面所需的表面粗糙度和尺寸公差。這也使我們能夠為模具配備凹槽，以便直接在模具中修整最終部件�！� 最終，eVTOL 飛機制造商可以通過使用 LFAM 生產固化工具來獲得競爭優(yōu)勢并提高生產效率，因為它有助于減少浪費、縮短交貨時間并降低制造成本。

金屬 LFAM 零件在太空中的應用

Caracol 在航空航天業(yè)的影響力也超出了復合材料大型增材制造的范圍：該公司目前正在推進金屬增材制造在太空應用大型結構部件中的應用。在與太空物流公司 D-Orbit S.p.A. 和米蘭理工大學機械工程系的合作下，Caracol 正在開展一個項目，開發(fā)可安裝在運載衛(wèi)星上的壓力罐，用于將CubeSats運輸和釋放到軌道上。這些緊湊的CubeSats可用于多種用途，例如數(shù)據(jù)收集和研究，以及研究和商業(yè)應用的電信和監(jiān)測操作。

Caracol 在 TechFastLombardia 融資招標（POR FESR 2014-2020）后參與了該創(chuàng)新項目。簡而言之，該公司一直在使用其 WAAM 3D 打印解決方案— 基于金屬惰性氣體 (MIG) 焊接系統(tǒng) — 開發(fā)采用輕質鋁合金 (AL2319) 制成的加壓罐。與更傳統(tǒng)的纖維繞工藝相比，增材制造的使用已經帶來了多項優(yōu)勢，包括更復雜、優(yōu)化的設計、更少的材料浪費和卓越的減重效果。減輕重量對于該應用尤為重要，因為它可以顯著降低與衛(wèi)星發(fā)射相關的燃料和推進劑成本，并減少航天器發(fā)射過程中的尾氣排放。Caracol 的 WAAM 工藝還通過打印單件零件來簡化生產流程。這消除了組裝殼、芯、心軸、配件等部件的需要，并顯著縮短了交貨時間。

這個金屬增材制造項目在另一個層面上也具有重要意義。正如Caracol解釋的那樣，項目合作伙伴還開發(fā)了一種“數(shù)字流程”，它將軟件、控制和自動化結合起來，以管理創(chuàng)建金屬航空航天零件的端到端流程。這種數(shù)字流程使最終用戶能夠“在高度自動化和高效的工作流程中控制每個流程階段，保證可重復性，使 WAAM 技術成為傳統(tǒng)制造的有效且高效的替代方案�！�

LFAM 在航空航天領域的挑戰(zhàn)和機遇

Caracol 的復合材料和金屬材料LFAM 解決方案符合航空航天增材制造的大趨勢。該行業(yè)同樣對大幅面增材制造抱有很大的興趣，并正在與增材制造廠商合作，克服該技術實施的現(xiàn)有限制和挑戰(zhàn)，以最大限度地發(fā)揮其效益和影響。

當今最大的挑戰(zhàn)之一與 LFAM 甚至更廣泛的增材制造技術缺乏相關的技術標準和認證方法。正如 Caracol 所說：“增材制造硬件需要強大的質量控制以及資格和認證程序，以確保質量和一致性。整個行業(yè)需要完善標準并達成一致，以確保航空航天應用增材制造組件的可重復性、可靠性和質量�！�

換句話說，LFAM需要認證流程，才能使該技術完全適用于飛機結構部件的生產。建立這些認證流程的主要挑戰(zhàn)與幾個因素有關，包括缺乏詳細的表征和增材制造特性數(shù)據(jù)庫。幸運的是，ISO 和 ASTM 正在制定和發(fā)展一系列增材制造標準，這將幫助增材制造供應商滿足航空航天應用的嚴格要求。例如，Caracol 的 Heron AM 工藝持有 AS/EN 9100 認證，保證滿足航空航天應用生產的嚴格質量標準。

材料表征也是一個需要解決的重要問題，特別是在 3D 打印復合材料方面。自 20 世紀 80 年代以來，傳統(tǒng)制造的復合材料已經改變了民用和商用航空，通常用作金屬材料的更輕質替代品。因此，3D 打印復合材料的能力可以通過減少材料浪費并通過優(yōu)化設計進一步輕量化部件，為飛機制造商帶來更多機會。更不用說能夠更快地生產復合材料零件并以經濟高效的方式進行小批量生產。隨著這方面的進一步標準化和驗證，復合材料的LFAM可能成為一種廣泛且極具優(yōu)勢的航空解決方案。

最終，解決這些挑戰(zhàn)將使 LFAM 平臺在航空航天應用越來越可行，并使更廣泛的飛機原始設備制造商受益于這項技術。這些好處包括材料節(jié)約和重量減輕，這意味著更低的燃料消耗；優(yōu)化性能的更復雜設計；零部件整合，簡化了后期生產步驟，如裝配和質量保證；更靈活的生產容量；最終縮短交貨時間并降低生產成本。