纖維複合材料以其輕質結構而著稱。傳(chuan) 統的模具成形常常需要通過銑床加工的方法來獲得，因此，成型件的結構複雜程度非常有限。本文介紹了一種由3D打印建造核心部件層狀結構的方法。此核心部件的基體(ti) 材料不會(hui) 對環境有害，並且能夠很輕易地被水溶解，工藝步驟非常簡單，在幾天之內(nei) 就可以產(chan) 生一個(ge) 很複雜的結構。它表明了3D打印技術在原型製作和小模型應用上有著相當大的潛力。

    製造輕質複合結構的方法包含幾個(ge) 步驟。首先，必須生成原始工件，這將限定產(chan) 品的形狀。根據該工件的複雜性，工件必須被分成子工件，這將在後麵組合成一個(ge) 更大的結構。作為(wei) 一種替代，該工件的各個(ge) 部分可以被分層，副模具可以粘結到隨後生產(chan) 步驟中的成品模具。常用工件一般有兩(liang) 種不同工作方式：作為(wei) 磨損後的模具和作為(wei) 許多生產(chan) 周期的工件。

    如果所需的外體(ti) 是類似管道網絡的形狀，那麽(me) 使用磨損的內(nei) 核部件可以顯著減少模板，這些形狀在輕質工程領域很常見。由於(yu) 核心部件通常分界，沙子或其它可成形的材料被使用。這種材料被噴射形成形狀，類似於(yu) 注射模具成型的工藝過程。在某些情況下，模具隨後被密封材料塗覆以準備下一個(ge) 步驟，即隨後的疊層(lamination)步驟。

根據所要求的質量，核心部件塗上一層凝膠塗層。現在可以使用不同的疊層技術。一方麵有預浸泡。這些組織中，含有玻璃纖維或碳纖維，是一種聚合物，準備粘到表麵上，並且可以在高強度高溫度情況下被硬化。對於(yu) 常見材料，溫度水平可高達180℃。一個(ge) 冷疊層過程的結果是得到更加柔軟的材料。

    這裏常用的方法是通過刷塗或噴塗，使用上聚酯樹脂，部分地硬化的樹脂，並通過滾軸使粘性聚合物附著在纖維材料上。相比於(yu) 預浸漬技術，這種方法能夠實現的複雜性更高了。

    該技術是基於(yu) 一種工件來生產(chan) 核心部件。這種依賴性意味著製造更小批量的能力降低。該產(chan) 品的生產(chan) 時間過長，生產(chan) 原型產(chan) 品在經濟上是不可行的。在這裏，可以發現產(chan) 品開發過程缺乏一致性，而使用3D打印技術打印核心部件就可以彌補這一缺陷。在下麵摩托車部件一步步的生產(chan) 過程就是為(wei) 了顯示這一技術的可能性。

 電單車搖杆的CAD模型

    3D打印核心部件

    voxeljet使用基於(yu) 粉末的3D打印工藝。此方法的特征在於(yu) 根據CAD數據直接逐步生產(chan) 部件。在製備過程中，數據被分割成可被打印機處理的位圖圖像。

第一步，把特定量的粉末添加到建造盒裏麵的建造平台。該粉末擴散裝置被引導通過建造空間和鋪平粉末。在此步驟之後，一個(ge) 噴墨打印頭噴出活化液到粉末上。，這激活了粉末層中的粘合劑，並且它的顆粒粘合在一起。為(wei) 了構建核心部件的主體(ti) ，該建造平台下降一層並且重新開始該過程。重複這個(ge) 工序，直到該部件在粉末中最終完成。

打印過程完成後，該部件可以從(cong) 鬆散粉末中取出。為(wei) 了正確地進行清潔，需要風吹或噴砂處理。在一個(ge) 對流烘箱中完成一個(ge) 簡短的硬化階段過程。

該voxeljet IOB材料被用作於(yu) 核心部件基體(ti) 材料。這種材料混合物主要成分是石英砂。此外，該粉末材料還包含一種粘合劑，它可以被噴頭噴出的水基液體(ti) 激活。該材料係統生產(chan) 出來的所有部件都是環境友好型的。

3D打印的核心部件

    預備

    3D打印過程生成的部件具有一定的孔隙。這些孔隙在疊層過程中必須進行安全填充處理。

    為(wei) 了達到可接受的效果，選擇了兩(liang) 個(ge) 步驟的處理。第一步，涉及用到鑄造工業(ye) 傳(chuan) 統的采用灰漿密封。在這裏使用的是德國Hüttenes-Albertus工廠的Zirkofluid 6672型號材料。該漿料是基於(yu) 酒精的一種分散劑，因此對打印的核心部件沒有任何影響。該塗層是通過把部件快速在Zirkofluid灰漿中浸泡形成的。浸泡後，該部件還待檢查是否有溢出和液滴，這些都可以被擦拭掉。這個(ge) 漿料塗覆過程最終將在對流烘箱中以60-80℃溫度下烘幹完成。

    塗層處理的第二步包括應用一個(ge) 精細層來完全填充孔隙。這可以采用瑞士Aeroconsult公司的密封劑(Aquaseal)來實現。Aquaseal是一種水基劑，它可通過手工刷塗或噴槍噴到工件表麵上。不建議采用浸漬，因為(wei) 要避免水溶性部件的溶解。

    該部件隨後在60-80℃的對流烘箱內(nei) 被烘幹。一旦它完全幹後，為(wei) 了獲得一個(ge) 可靠的密封表麵，塗層可以重複做幾次。密封劑材料中帶藍色的顏色指示劑用於(yu) 評價(jia) 達到什麽(me) 質量水平的有用工具。

    疊層：

    已準備好的核心部件現在可應用於(yu) 疊層了。在這種情況下需要用到一種聚酯材料。此聚合物通過玻璃纖維組織得到強化。

快速硬化材料在大約五分鍾開放時間內(nei) 被使用，因此這一步驟可以在不妨礙工作過程情況下被快速重複。兩(liang) 種材料元件的混合被塗刷上核心部件，如果表麵由於(yu) 聚合作用變粘，應用玻璃纖維組織並用刷子抹平。重複這些步驟，直到材料壁厚達到1毫米。

 核心部件疊層

    核心部件移除和完成：

    為(wei) 了移除核心部件，新建的疊層結構通過在聚合物材料中鑽孔打開。這些孔的位置是選擇在隨後步驟中金屬嵌件應用的位置上。

該核心部件溶解在溫水中，為(wei) 了達到良好的溶解速率，整個(ge) 部件浸入水中。移動核心部件促進水中的對流，從(cong) 而加速溶解過程。該器件保持浸泡在約10升水中約兩(liang) 個(ge) 小時。

在某些情況下，有必要通過使用管和注射器，在疊層體(ti) 的長通道內(nei) 產(chan) 生所需要的對流。所有材料必須被安全地移出以優(you) 化部件的重量。

就其一般來說，這一過程之後，該部件會(hui) 有一個(ge) 粗糙的表麵和各種缺陷，比如殘存空氣或錯位纖維材料。因此，需要填充和打磨的工序來實現了光滑的表麵。這一步之後，該部件還可以噴漆。

 從(cong) 左至右依次為(wei) ：3D打印的核心部件;塗層的核心;藍色的第二層，疊層；衝(chong) 洗出來的核心部件；噴色後帶金屬嵌件的摩托車搖搖杆#p#分頁標題#e#

噴色後帶金屬嵌件的摩托車搖搖杆

    結論

    本文介紹了使用3D打印技術連接複合纖維材料來生產(chan) 核心部件的方法。得益於(yu) 層疊體(ti) 的快速製造，這種方法非常適合於(yu) 製造原型和輕質結構小批量部件生產(chan) 。這就為(wei) 潛在的應用領域的采用和投入創造了一個(ge) 閉合完整的加工鏈。