3D列印的PSU複合塑料模具用於直升機大型零件注塑

對於諸如直升機結構件這樣的大型零件來說，通常需要幾噸到幾十噸的模具來完成注塑工作。而這樣的模具通過傳統的加工技術不僅昂貴，加工過程也充滿了挑戰。不但要求機床工作檯面能承受大重量,設備必須具有大承重和高剛性的特性,還必須有足夠大的檯面尺寸和工作行程與之相適應。由於模具的強度和硬度都很高,加上常常採用伸長量較大的小直徑端銑刀加工模具型腔,因此加工過程容易發生顫振。為了確保零件的加工精度和表面質量,模具製造的高速萬能銑床必須有很高的動、靜剛度,以提高機床的定位精度、跟蹤精度和抗振能力。

昂貴的設備，對加工工藝極端苛刻的要求，都使得大型零件的注塑模具成為模具製造中的一大挑戰。

3D列印技術為大型模具製造帶來了新的切入點。就拿PSU塑料來說，這種塑料耐蒸氣、耐水解、無毒、耐高溫蒸氣消毒、高透明、尺寸穩定性好的塑料材料。這也為通過3D列印技術來加工PSU塑料模具，然後通過注塑完成最終產品的加工。對於小批量大型零件的製備，這是一種快、好、省的捷徑。

正在拓寬的

3D列印大型零件應用空間

最近，普渡大學複合材料製造和模擬中心，Thermwood公司，應用複合材料工程（ACE）和Techmer PM的聯合團隊實現了通過3D列印PSU複合材料模具來實現直升機零部件的注塑目的。

圖片：通過3D列印模具所完成注塑的直升機零件

根據3D科學谷的了解，這可能是碳纖維增強PSU塑料首次成功地應用到3D列印工藝。通過Thermwood的大型增材製造（LSAM-Large Additive Manufacturing）系統對直升機的模具進行了一次性3D列印與機加工工序。

圖片：3D列印的注塑模具

團隊的每個成員都在直升機零部件的生產中發揮了關鍵作用：Techmer PM是高性能定製聚合物的製造商，由他們提供了專業的PSU材料; Thermood公司提供了其LSAM技術;而專註於航空航天工業的複合材料專家ACE則通過3D列印的模具來創建最終的直升機零部件。

為了將3D列印方法與傳統製造方式進行比較，團隊專門做了兩種製造方式的經濟性分析。根據分析結果，3D列印模具的材料比標準模具材料的成本低34％，在勞動時間方面的生產速度提高了69％，3D列印模具只需三天時間就可以製造完成，而傳統的模具製造需要八天時間。

能夠將PSU材料用作模具，主要得益於LSAM強大的擠出系統，可以達到PSU加工工程中所需的高溫和扭矩水平。

Thermwood開發的LSAM系統是增材製造工藝與機加工切削工藝的巧妙結合，由3D列印完成粗糙的模型輪廓，通過使用CNC銑床將零件加工到精確尺寸，在3D列印的過程中就可以同步配合機加工切削的運用，這款用於製造直升機零件模具的大型3D印表機的建造體積為10×20英尺。

隨後，直升機零件在275oF和90PSI的高壓釜中成型。3D列印模具保持真空，不需要特殊的塗層，在Tg（玻璃化轉變溫度）372°F的情況下，這種特殊的PSU複合材料配方能夠滿足高達350°F的零部件注塑環境要求，根據3D科學谷的了解這足以滿足今天加工中大約95％的複合材料部件。當然，還需要進行額外的測試以確定該材料在高溫下的適用性和耐久性。

3D科學谷REVIEW

Thermwood公司的主業原來是生產數控加工系統的，現在他們研究的大型增材製造（LSAM－large scale additive manufacturing）混合製造系統，將3D列印和切削加工集成到同一台機器上。 Thermwood的LSAM技術通過機器臂完成3D列印工作在切換到切削工作模式將多餘的材料一次性去除，其使用的材料是Techmer PM的含20%碳纖維的塑料

Thermwood可以列印10x10x5英尺的產品（約3x3x1.5米），快速的擠壓頭確保每一個新的層形狀和厚度是均勻的。Thermwood專門針對大尺寸的加工領域提供全套解決方案，目標市場包括設備工裝、模具、夾具、模型等多種應用，目標行業包括航空航天、汽車、遊艇和熱成型。

帶機器手的3D列印除了Thermwood，還有BAAM、MX3D、Thermwood、Branch Technology、3D Systems、 LittleArm、Arevo Labs，以及Stratasys。

而BAAM系統在2016年就被美國橡樹嶺國家實驗室下設的風能水能技術辦公室用來製造了一款巨大的風電葉片模具。葉片模具長達13米由BAAM系統分批次列印出來。根據3D科學谷的市場研究，與Thermwood類似的是模具都用到了碳纖維複合材料3D列印技術，不同的是BAAM系統的3D列印工作完成後，葉片上面被覆蓋了一層玻璃纖維層壓板以獲得平滑的表面，而Thermwood採取的是通過機加工的方式去除多餘的塑料材料以獲得精確的模具表面。

不過，在集成3D列印與切削加工塑料材料於一台設備方面，Thermwood可以稱為行業的先行者。但就3D科學谷的市場研究，已經有更多的公司看好大型塑料製品的混合加工。義大利加工專家CMS與2017年9月宣布與德國Fraunhofer機床和成型技術研究所（Fraunhofer IWU）建立了新的合作夥伴關係，並共同開發熱塑性複合材料的3D列印與五軸銑削加工的混合系統。

Fraunhofer IWU將與CMS密切合作，開發CMS Kreator，該系統將結合3D列印和機加工製造出高品質熱塑性複合材料零件。CMS Kreator將會有一系列的配置和尺寸，並可容納各種各樣的基於熱塑性塑料的材料。3D科學谷了解到，這款設備可以在許多領域和行業得到應用，並將面向製造精密原型甚至特殊的零件生產。

隨著更多的公司參與到複合材料的大型產品列印，3D列印正發揮有價值的意義：減少浪費，減少交貨時間，並提供更靈活的設計自由度，重要的是3D列印的模具比傳統模具更經濟，3D列印的大趨勢將如何演變，3D科學谷將保持持續關注。

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