《Front. Mater》采用连续纤维3D打印热塑性复合材料制造飞机舱门铰链

 

碳纤维/PEKK热塑性3D打印复合材料舱门铰链

瑞士9T Labs开发了一种包含 3 步制造工艺流程的增材融合技术 ( Additive Fusion Technology，AFT) ，并使用该技术制造了碳纤维/PEKK增强的3D打印直升机舱门铰链。另外，与传统连续复合材料增材制造不同的是，3D打印制成的预成型体需要进一步放入模具中热压成型，以消除孔隙，得到轻质高强的零件。由下图可以看出，未经热压处理的3D打印结构孔隙率高于10%，热压处理后可小于1%。

这种集成的工艺链能够批量生产纤维体积分数>60%、空隙率<1%~2%的零件，并且浪费最少，成本比金属更低。AFT 能够实现复杂、精细的细节以及非常精确的纤维路径控制，实现更强的定制设计，达到优化承载能力、重量、制造速度和成本的目标。

 

加温加压前后的孔隙率对比

该项研究对空客EC135直升机舱门铰链接头进行了改进设计，原始方案为不锈钢金属结构，通过4个M8螺栓与飞机本体连接，该接头承受的最大静载荷为2.2kN。原金属方案的承载能力为3kN。

 

金属对照方案，不锈钢零件，尺寸为 112 × 42 ×22.5mm

此前，瑞士和法国的一个联合团队采用短切碳纤维 (CF)/聚醚醚酮 (PEEK) 模压工艺对该方案进行了设计，承载能力达到了4.2 kN。

 

短纤维增强复合材料模压方案

当前9T Labs设计了3种连续碳纤维（CF）/聚醚酮酮 (PEKK) 3D打印方案，将单向带劈分为1-2K 丝束与聚合物长丝一起打印。四个螺栓孔内加入了金属衬套。

第一种3D打印方案是采用准各向同性方案（黑金属方案），即0/90/±45铺层比例为1:1:2，底板和立筋分别由34层和26层组成，每层厚度为0.2毫米。

 

“黑金属”方案——准各向同性复合材料方案

第二种3D打印方案是根据拓扑优化的传力路径对纤维取向进行了优化，以充分利用各向异性复合材料的可设计性。与黑金属设计相比，优化后的设计将失效载荷提高了200%。

为了进一步提高零件的强度，研究人员进行了第二次优化，在初始失效区域增加纤维对结构进行增强。 第三种新方案使失效载荷又增加了 45%，并将失效区域转移到垂直板的铰链销区域。

 

结构拓扑优化

 

按照拓扑优化结果设置打印路径及局部增强

两种3D打印改进设计是使用多体策略生产，将零件分为四个子部分（下图所示）。这种方法允许所有空间方向上的纤维充分利用连续纤维打印的各向异性特征，使纤维方向与承载方向对齐。四个子部件在钢模具套件中通过压缩成型融合在一起。成型温度 350°C，压力45 千牛，固化时长20 分钟。

 

子部件划分及3D打印

几种方案的比较      

原金属方案：重量为135g，承载3.0kN；

短切纤维方案：重量约21g，承载4.2kN；

准各向同性3D打印方案：重量20g，承载1.6kN（该数据感觉有些异常）；

拓扑优化后3D打印方案：重量25g，承载4.8kN；

二次优化后3D打印方案：重量27.5g，承载6.9kN；

最终的连续纤维增强3D打印优化方案比原金属方案重量减轻了轻 75%，同时最大承载能力提升了超过 200%。

 

 

重量及承载能力对比 

参考文献：

Zhilyaev I, Grieder S, Küng M, Brauner C, Akermann M, Bosshard J, Inderkum P, Francisco J and Eichenhofer M (2022) Experimental and numerical analysis of the consolidation process for additive manufactured continuous carbon fiber-reinforced polyamide 12 composites. Front. Mater. 9:1068261. doi: 10.3389/fmats.2022.1068261

Nicolas Eguemann, L. Giger, M. Roux, C. Dransfeld, Frédéric Thiebaud, et al.. Compression moulding of complex parts for the aerospace with discontinuous novel and recycled thermoplastic composite materials. 19th International Conference on Composite Materials, Jan 2013, France. pp.1 - 11.