纖維復合材料以其輕質結構而著稱。傳統(tǒng)的模具成形常常需要通過銑床加工的方法來獲得，因此，成型件的結構復雜程度非常有限。本文介紹了一種由3D打印建造核心部件層狀結構的方法。此核心部件的基體材料不會對環(huán)境有害，并且能夠很輕易地被水溶解，工藝步驟非常簡單，在幾天之內就可以產生一個很復雜的結構。它表明了3D打印技術在原型制作和小模型應用上有著相當大的潛力。

    制造輕質復合結構的方法包含幾個步驟。首先，必須生成原始工件，這將限定產品的形狀。根據(jù)該工件的復雜性，工件必須被分成子工件，這將在后面組合成一個更大的結構。作為一種替代，該工件的各個部分可以被分層，副模具可以粘結到隨后生產步驟中的成品模具。常用工件一般有兩種不同工作方式：作為磨損后的模具和作為許多生產周期的工件。

    如果所需的外體是類似管道網絡的形狀，那么使用磨損的內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。由于核心部件通常分界，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，類似于注射模具成型的工藝過程。在某些情況下，模具隨后被密封材料涂覆以準備下一個步驟，即隨后的疊層(lamination)步驟。

根據(jù)所要求的質量，核心部件涂上一層凝膠涂層?，F(xiàn)在可以使用不同的疊層技術。一方面有預浸泡。這些組織中，含有玻璃纖維或碳纖維，是一種聚合物，準備粘到表面上，并且可以在高強度高溫度情況下被硬化。對于常見材料，溫度水平可高達180℃。一個冷疊層過程的結果是得到更加柔軟的材料。

    這里常用的方法是通過刷涂或噴涂，使用上聚酯樹脂，部分地硬化的樹脂，并通過滾軸使粘性聚合物附著在纖維材料上。相比于預浸漬技術，這種方法能夠實現(xiàn)的復雜性更高了。

    該技術是基于一種工件來生產核心部件。這種依賴性意味著制造更小批量的能力降低。該產品的生產時間過長，生產原型產品在經濟上是不可行的。在這里，可以發(fā)現(xiàn)產品開發(fā)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。在下面摩托車部件一步步的生產過程就是為了顯示這一技術的可能性。

 電單車搖桿的CAD模型

    3D打印核心部件

    voxeljet使用基于粉末的3D打印工藝。此方法的特征在于根據(jù)CAD數(shù)據(jù)直接逐步生產部件。在制備過程中，數(shù)據(jù)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里面的建造平臺。該粉末擴散裝置被引導通過建造空間和鋪平粉末。在此步驟之后，一個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，并且它的顆粒粘合在一起。為了構建核心部件的主體，該建造平臺下降一層并且重新開始該過程。重復這個工序，直到該部件在粉末中最終完成。

打印過程完成后，該部件可以從松散粉末中取出。為了正確地進行清潔，需要風吹或噴砂處理。在一個對流烘箱中完成一個簡短的硬化階段過程。

該voxeljet IOB材料被用作于核心部件基體材料。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激活。該材料系統(tǒng)生產出來的所有部件都是環(huán)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。

    為了達到可接受的效果，選擇了兩個步驟的處理。第一步，涉及用到鑄造工業(yè)傳統(tǒng)的采用灰漿密封。在這里使用的是德國Hüttenes-Albertus工廠的Zirkofluid 6672型號材料。該漿料是基于酒精的一種分散劑，因此對打印的核心部件沒有任何影響。該涂層是通過把部件快速在Zirkofluid灰漿中浸泡形成的。浸泡后，該部件還待檢查是否有溢出和液滴，這些都可以被擦拭掉。這個漿料涂覆過程最終將在對流烘箱中以60-80℃溫度下烘干完成。

    涂層處理的第二步包括應用一個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(xiàn)。Aquaseal是一種水基劑，它可通過手工刷涂或噴槍噴到工件表面上。不建議采用浸漬，因為要避免水溶性部件的溶解。

    該部件隨后在60-80℃的對流烘箱內被烘干。一旦它完全干后，為了獲得一個可靠的密封表面，涂層可以重復做幾次。密封劑材料中帶藍色的顏色指示劑用于評價達到什么質量水平的有用工具。

    疊層：

    已準備好的核心部件現(xiàn)在可應用于疊層了。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鐘開放時間內被使用，因此這一步驟可以在不妨礙工作過程情況下被快速重復。兩種材料元件的混合被涂刷上核心部件，如果表面由于聚合作用變粘，應用玻璃纖維組織并用刷子抹平。重復這些步驟，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：

    為了移除核心部件，新建的疊層結構通過在聚合物材料中鉆孔打開。這些孔的位置是選擇在隨后步驟中金屬嵌件應用的位置上。

該核心部件溶解在溫水中，為了達到良好的溶解速率，整個部件浸入水中。移動核心部件促進水中的對流，從而加速溶解過程。該器件保持浸泡在約10升水中約兩個小時。

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

就其一般來說，這一過程之后，該部件會有一個粗糙的表面和各種缺陷，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(xiàn)了光滑的表面。這一步之后，該部件還可以噴漆。

 從左至右依次為：3D打印的核心部件;涂層的核心;藍色的第二層，疊層；沖洗出來的核心部件；噴色后帶金屬嵌件的摩托車搖搖桿#p#分頁標題#e#

噴色后帶金屬嵌件的摩托車搖搖桿

    結論

    本文介紹了使用3D打印技術連接復合纖維材料來生產核心部件的方法。得益于層疊體的快速制造，這種方法非常適合于制造原型和輕質結構小批量部件生產。這就為潛在的應用領域的采用和投入創(chuàng)造了一個閉合完整的加工鏈。