增材制造：復雜工業模制件也能實現批量生產

作為一項關鍵技術，增材制造（AM）因其無需模具的生產方式而擁有巨大的降本潛力，尤其適用于制造大型部件。但是，由于缺乏豐富的生產經驗、對材料的依賴性高以及對最終部件性能的可預測性不足，其從概念走向可復制的批量生產仍面臨挑戰，而傳統的試錯方法往往效率低下且成本過高。唯有將上述三家合作伙伴分別提供的設備技術、工藝理解、材料開發和仿真技術相結合，才能為高要求的增材制造應用建立穩健且經濟高效的工藝流程。這一整體方案已通過汽車中控臺展示件得到了驗證。

標題圖：西蒙·克勞澤（M.TEC Engineering）、尼古拉·拉默特（德國伊之密）、弗里德里克·施瓦茨和邁克爾·里克（安科羅）以及沃爾夫岡·佩爾策（M.TEC Engineering）共同展示了增材制造的新方案（從左至右） © 安科羅

專為大型精密部件而設計的設備技術

作為注塑機和增材制造系統的制造商，伊之密始終致力于為客戶提供經濟高效的整體解決方案。因此，該公司在設計用于工業級3D打印的SpaceA系列產品時，特別注重生產效率和工藝可靠性。該設備技術專為實現高度自動化、高材料吞吐量和大批量生產而設計，因此能夠以工業級規模制造技術部件。

該工藝的原理是，將熔融塑料顆粒通過安裝在工業機器人上的擠出機逐層涂覆到構建平臺上。均勻的料帶寬度是實現表面質量一致性的關鍵，其受擠出機溫度、螺桿轉速、移動速度和冷卻速度的共同影響。根據具體需求可采用不同幾何形狀的噴嘴，從而適配多種標準聚合物和纖維增強塑料。通過選擇合適的噴嘴和打印策略，可局部設定并增加壁厚。這使得復雜的幾何結構能夠以低成本、無需模具的方式實現，而若采用傳統方法則需付出巨大努力才行。

為了研究打印過程及其最終部件性能的可預測性，研究人員選取了一個基于汽車中控臺幾何形狀的展示件作為研究對象，并且采用定制的打印策略將通風管道以介質密封的方式集成于其中。對于技術部件而言，除了力學性能外，尺寸精度同樣關鍵。在3D打印中，材料的自由收縮會對最終幾何形狀產生顯著影響，這一特性尤為重要。部件設計和熔體沉積策略在此起著決定性作用，因為成型件內部的溫度分布對收縮有著重大影響。因此，要實現真實的模擬，不僅需要考慮工藝數據和部件幾何形狀，還必須考慮擠出點的移動路徑。

用于料粒基增材制造的技術化合物

作為應用型技術化合物領域的專家，安科羅利用其自有的伊之密SpaceA系統對增材制造用的材料進行鑒定和開發。在為增材制造開發新型化合物時，其關注點不僅包括材料的應用性能和加工性能，還涵蓋可持續性方面的考量。

圖1：3D打印和注塑成型力學性能的對比（相對值）——增材制造在沉積方向上具有更高的強度和剛度

（來源：安科羅；制圖：© Hanser）

安科羅通過化合物材料為增材制造工藝生成特定應用數據。料帶幾何形狀、打印層時間和輪廓層數等參數通過測試幾何體進行調整，使其能夠代表實際部件的特性。與注塑成型的試樣相比，采用纖維增強化合物增材制造的試樣在沉積方向（0°）上通常表現出更高的強度和剛度。相比之下，基體聚合物更具延展性的材料行為在90°方向上占主導地位。力學特性隨加工方法變化的對比結果以PA11-rCF40（Akromid Next U28 ICF 40 1（8238））為例進行了展示（圖1）。在進行正確的結構設計和仿真時，必須考慮這些方向性差異，以確保設計能夠適應相應的載荷工況。

圖2：安科羅的材料鑒定基于使用熱成像技術確定力學性能和加工窗口 © 安科羅

熱成像測量被用于確定材料特定的工藝窗口。這些數據還可用于驗證工藝模擬，從而實現對不同壁厚的復雜部件進行熱設計。通過這一驗證流程，安科羅為整體仿真建立了數據基礎（圖2）。

圖3：模擬溫度分布（左）和模擬翹曲（中）——與3D掃描結果（右）的對比顯示，仿真與打印部件具有高度一致性

© M.TEC Engineering

PA6-GF等標準材料正針對3D打印在加工性能和打印質量方面進行深度開發。經增材制造優化的PA6-GF30（Akromid B3 GF 30 AM（8917）/（8962））已在這兩方面取得成功。但是，該材料固有的翹曲行為仍是一個關鍵挑戰：經驗性翹曲測量表明，由于基體聚合物和增強材料的差異，PA6-GF30的翹曲程度比PA11-rCF40高出近60%。通過仿真精確映射這些材料差異可以在設計上對部件進行調整，從而確保生產出尺寸精確的零件。

仿真驅動的工程：預測成就未來

作為三方聯盟的工程合作伙伴，M.TEC Engineering能夠對增材制造塑料部件的結構力學性能進行精確預測。仿真模型可計算強度、剛度和應力分布，并基于熱影響以及熱塑性塑料在打印過程中復雜的粘彈性材料行為，可靠地預測形狀偏差和翹曲。

測試部件的熱力學和力學仿真展示了冷卻過程中的溫度分布和部件變形情況（圖3）。前者主要用于識別打印過程中溫度過高或過低的關鍵區域。這些區域會直接影響最終部件的力學性能和尺寸精度。根據仿真結果可對部件設計和打印參數進行調整。

圖4：PA6-GF30（左）和PA11-rCF40（右）翹曲仿真結果的對比展示了兩種材料的差異，這些差異會體現在打印結果中

© M.TEC Engineering

翹曲仿真用于預測3D打印后部件的實際幾何形狀，從而可在首次打印前進行設計調整以補償翹曲，這對于易翹曲材料尤為重要。對比由PA6-GF30和PA11-rCF40制成的測試幾何體的翹曲仿真結果，可清晰地觀察到不同材料行為在仿真中的表現（圖4），從而為部件優化提供重要依據。

仿真結果與現場記錄的熱成像數據的對比以及翹曲計算結果與實際部件（3D掃描，圖3右）的對比，均證實了仿真結果的準確性。

結論

伊之密、安科羅和M.TEC Engineering之間的合作表明，從整體工藝視角來看，增材制造同樣適用于復雜工業模制件的批量生產。這一成果建立在工藝工程專業知識、材料技術專長以及扎實的工程設計能力的協同作用基礎上。 

本文由榮格獨家翻譯自Plastics Insights雜志
作者：Dr.-Ing. Yuxiao Zhang，Dr. Michael Rieck，Dipl.-Ing. Wolfgang Pelzer

來源：榮格-《國際塑料商情》

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