本田公司妙用紙張3D打印技術制造碳纖維復合零部件

汽車工業(yè)的快速發(fā)展，給人們帶來交通便利的同時也面臨著環(huán)境污染和能源緊缺等問題，這些問題使汽車的節(jié)能減排工作迫在眉睫。南極熊之前報道了一篇，3d打印可以降低石油等不可再生能源的消耗，當然汽車輕量化是節(jié)能減排的手段之一，而實現(xiàn)汽車輕量化主要有兩種途徑，一種是對汽車零部件進行結構設計優(yōu)化，另一種則是通過輕質(zhì)高強度的材料替代傳統(tǒng)材料，碳纖維復合材料就是一種高強度的輕量化材料，近年來在汽車應用中得到了快速發(fā)展。

傳統(tǒng)的碳纖維鋪設方法對人工的依賴度較高，并且成本高，3D打印技術可以以一種自動化的方式制造復雜的幾何形狀和短期需求的碳纖維零部件。目前可以打印碳纖維復合材料3D打印的廠商在全球范圍內(nèi)來看包括Markforged、Orbital Composites、Arevo Labs、Impossible Object等直接進行碳纖維復合材料3D打印的企業(yè)。除了這些直接進行碳纖維復合材料3D打印的技術，有的3D打印技術可以用于制造碳纖維復合材料的模具，與成型工藝結合在一起快速制造碳纖維復合零部件，本田集團正是使用后者進行碳纖維復合零部件的快速制造。

紙張也變得“堅韌”
本田集團使用的3D打印技術是愛爾蘭Mcor Technologies公司的McorARKe 3D打印機，該設備采用選擇性地沉積（SDL）紙張3D打印技術，我們首先來簡單的了解一下McorARKe 3D打印機的工作流程：

圖片來源： Mcor Technologies

-對3D模型進行切片
-紙張被送入打印室之后，粘結劑將按照3D模型的形狀沉積下來
-打印機加載新的紙張，打印機中的加熱板對紙張施加壓力，促進粘合劑將兩層紙張粘合在一起
-硬質(zhì)合金刀片對紙張進行裁切
-重復以上步驟，直到3D模型的每一層都完成打印

圖片來源： Mcor Technologies

通過Mcor Technologies 研發(fā)的彩色墨水，McorARKe 3D打印機還可以實現(xiàn)彩色3D打印功能。由于打印材料是普通的辦公用紙和環(huán)保的粘合劑，打印成本低，打印出的模型細節(jié)精良，McorARKe 3D打印機已被汽車制造用戶用于產(chǎn)品的設計驗證和快速原型。不過本田通過McorARKe 3D打印機制造碳纖維復合零部件的模具，讓這種紙張3D打印技術的應用超越了原型，走向產(chǎn)品的快速制造領域。

通常進行碳纖維復合零部件制造的方法是，首先使用數(shù)控機床切削出零件的金屬模具，將碳纖維材料坯料被鋪疊在附有脫模劑的模具表面，然后經(jīng)過多孔防粘布(膜)、吸膠氈、透氣氈覆蓋等處理步驟之后放在熱壓罐內(nèi)，在一定溫度和壓力下完成固化過程。

金屬模具的制造周期較長，成本較高?；谶@一點，本田開始借助SDL 紙張3D打印技術這種成本低、生產(chǎn)周期短的技術制造碳纖維復合零部件的模具。那么，這些由柔軟的紙張制造的模具是否能夠經(jīng)受住后續(xù)碳纖維復合材料成型工藝的考驗呢？

圖片來源： Mcor Technologies

本田與Mcor Technologies公司進行了一年的探索，結果表明打印紙張在經(jīng)過逐層粘合和壓縮之后變得非常堅固，與單張紙張具有完全不同的力學屬性，同時由于紙張屬于非晶體材料，不會像塑料那樣預高溫后發(fā)生熔化，所以紙張3D打印的模具可以長時間處于高溫和壓力環(huán)境下而不發(fā)生變形。在探索實踐中，紙張3D打印模具在碳纖維材料成型工藝中所處的環(huán)境是135°C 高溫和50萬帕壓力。

由于打印機的硬質(zhì)合金刀片在打印過程中對每一層的打印形狀進行了精確的切割，紙張3D打印模具具有高尺寸精度，這也將為最終的碳纖維零部件帶來較高的尺寸精度。為方便成型后的零部件進行脫模，可以在紙張3D打印模具的表面涂覆脫模劑量。由于紙張模具在這些工藝中發(fā)生的改變較小，如有必要的話模具可被重復利用。

來源：3d科學谷
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