沙特基础工业公司(SABIC) 探索热压罐工装增材制造(LFAM)技术

沙特基础工业公司(SABIC)和代顿研究院大学合作开展了一个项目,探索使用大幅面增材制造(LFAM) 技术创造用于制造航空航天复合材料零件的热压罐工装的潜力。

LFAM相比,传统的用金属CNC 加工制造热压罐工装的方法,具有与材料和 CNC时间相关的前期成本,以及设计变更的额外成本。使用LFAM 制造类似工装有助于减少更快速地制造小批量、复杂工装的支出和时间。由于 LFAM CNC
金属加工的打印速度提高,因此可以在生产单个 CNC 金属工装所需的时间内3D 打印多个设计迭代。此外,从计算机生成的文件快速
3D 打印工装的能力消除了长期存储工装的需要和成本,因为必要时可以打印新工具。

涉及塑料材料的大幅面增材制造使用通过挤出机筒熔化的塑料颗粒进行3D打印,并逐层挤出以构建零件。由于LFAM 工艺是颗粒状进料,因此原料具有广泛的可用性,包括含有玻璃纤维、碳纤维、矿物等的填充热塑性化合物,使设计者能够提供用未填充的树脂无法实现的强度和热膨胀系数。随着零件的增大,在打印和最终使用过程中,维持打印结构对结构加强的需求变得越来越重要。

LFAM能够打印较小的打印工艺不可实现的大型零件,并能够创建复杂的几何零件,而这些零件难以使用传统工艺(如注塑成型 ) 生产。与传统生产方法相比,LFAM打印速度可实现快速原型和设计的多次迭代,缩短开发周期和交付周期。在权衡需要前期投资的大批量生产方法时,以较低的成本和时间投资实现小批量定制生产是可能的。

为严格的热压罐环境寻找合适的树脂/填料系统组合成为挑战。要使用LFAM 工装替换金属工装,材料必须打印良好,并且还要承受使用所需的负载、温度循环和尺寸要求。打印工装的尺寸稳定性至关重要,因为工装的移动会对最终部件质量产生负面影响。


选择

本研究中提到的热压罐工装要求能够承受350°F 的热压罐循环,同时压力低于 85-90 psi 该工装需要承受超过 10次热压罐循环,保持真空完整性,并在高压罐固化之前、期间和之后保持工装表面上± 0.005
英寸的尺寸轮廓公差。

对于工装的材料,选择LNP Thermocomp AM EZ006EXAR1化合物,因为它提供了Ultem 树脂以及用于尺寸控制的填充包的组合, Ultem树脂是航空航天应用中众所周知的高温材料。

本研究选择的工装几何形状,与广泛的行业和应用相关,与军用飞行器上使用的零件类似。 团队设计了一个超大尺寸的工装,以便将表面加工到所需的最终尺寸。

该工装在位于马萨诸塞州皮茨菲尔德的SABIC聚合物加工研发中心(PPDC) 打印,使用辛辛那提公司的大幅面增材制造 (BAAM)机床。

BAAM打印机包含一个带有六个加热区的单螺杆挤出机,每个区域都能加热到500° C ,螺杆可处理填充的聚合物。使用一个具有交错线填充图案的双外壁设计,在2.5小时内打印了有 140 层的工装。

LNP Thermocomp AM EZ006EXAR1化合物在打印过程中表现出一致且稳定的珠粒尺寸,且珠粒表面光滑。在打印后检查时,整个零件仅表现出很低程度的翘曲。

由于大幅面增材制造技术可以打印到近净成形,因此只需要一次加工操作即可获得最终尺寸。加工后的工装被送到田纳西州诺克斯维尔的Tru-Design,用于 TD Seal HT 涂层的应用。 TD Seat HT是一种薄的喷涂涂料,可与高温 LFAM 原料粘合而不会在热压罐循环过程中开裂,可提供光滑且真空密封的工装表面。


测试

阶段1

代顿研究院大学对完成的工装进行了初始阶段1测试。在阶段1 的扫描和真空测试期间,未检测到显着的真空损失,表明 TD Seal HT提供了良好的密封表面。

阶段2

第二阶段的测试是热压罐循环,在SABICPPDC 工厂完成。在每个循环期间,将复合材料铺层放置在工装上并用热压罐固化复合材料。复合材料铺层和热压罐工艺包括由 Renegade 材料公司制造的两层 RM 2005 环氧/碳预浸料。

对于每个热压罐循环,遵循以下步骤:

1、在室温下真空保持60分钟。

2、每分钟加热5°
F 350°F ± 10° F
,施加 30 ±5 psig的压力,直至温度达到 225 ° F±
5° F

3、在温度超过225°
F后,施加 85±5 psig 的热压罐压力并排放到大气中。

4、保持温度在350°
F± 5°F ,持续120-135分钟。

5、以每分钟5°
F 的速度冷却。当温度低于 302°F 时,释放压力。

该过程重复五次。在第五个循环之后,使用Creaform公司HandyScan 3D 手持式扫描仪扫描工装。扫描分析显示, 99.7%的工装表面在第一阶段测试完成后进行的基线扫描的±0.004 英寸内。该百分比表示数据分布与基线的三个标准偏差。

3阶段

在阶段3期间,该工装经历另外五次热压罐循环。使用相同的程序,但热压罐压力从100psig 增加至 85psig。完成循环后,再次扫描工装。

与基线扫描相比,结果与前五次热压罐循环后的结果相似:99.7%的加工表面在基线扫描的±0.004 英寸范围内。

4阶段

在阶段4中,使用与阶段3 测试中相同的铺层将工装暴露于最后 10次热压罐循环。完成所有循环后,再次扫描工具并与原始基线进行比较。如先前的比较所示,
99.7%的加工表面在原始基线扫描的± 0.004 英寸范围内。


结果

在前五次热压罐循环后,工装表现出距离基线±0.004英寸的最小移动。另外15 个循环显示类似的扫描结果,表明发生的初始运动被分离到最初的五个热压罐循环。在最初五次热压罐循环后,工装稳定并且在剩余的热压罐循环测试期间没有继续移动。出于本研究的目的,仅记录工装的永久变形,而不是在实际热压罐工艺中可能发生的临时移动。

只有当将接受阈值降低到0.001英寸时,才能看到工装表面运动的方向。除了围绕工装周边的向内运动之外,没有发现明显的趋势,这很可能是源自真空带刮擦和移除导致的表面磨损。

    最终结果表明,在五个标准350°F 热压罐循环后,工装显示出小于± 0.004英寸的运动。 这在航空航天工业中常见的± 0.005 英寸公差范围内。在额外的15 个循环后几乎没有发生后续运动。  



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