不使用高成本的模具制成的中部底盤車頂框架：采用基于擠出的3D打印技術制成的芯層，結合采用AFP技術鋪放的上下表皮層，即制成了中部底盤車頂框架，其強度和剛度能與空心的鋼制部件相媲美，但卻減輕了40%的質量，減小了50%的橫截面，而且還消除了以前的MAI Skelett設計所需要的注射模具成本（圖片來自寶馬和TUM） 

 

    2019年，由德國寶馬公司領導的一個名為MAI Skelett 的開發項目，展示了一個復合材料的前擋風玻璃框架，其設計是為了采用單向碳纖維增強熱塑性塑料（CFRTP）的拉擠件來取代以前的熱固性復合材料技術。在一個75s的兩步法工藝中，首先熱成型拉擠件，然后對其進行包覆注射成型，由此而生產出的結構車頂部件，性能超過了以前部件的所有要求。2020年，德國西格里碳纖維（SGL Carbon）公司和德國Koller Kunststofftechnik 公司一起，獲得了寶馬的多年訂單，開始為前擋風玻璃和后窗用的框架批量生產碳纖維增強熱塑性塑料。

MAI Skelett項目展示的熱塑性復合材料的擋風玻璃框架，是對碳纖維的拉擠件（下）進行包覆注射而制成的，該部件被用于寶馬iX SUV上 

 

    2019年，寶馬的工程師們開始與慕尼黑理工大學（TUM）合作，研究如何利用3D打印來降低此類部件的注射成本。多年來，TUM一直在開展各種項目研究，探討如何將傳統的復合材料生產工藝如自動纖維鋪放（AFP）與采用連續纖維增強材料的3D打印結合起來。寶馬輕量化結構與技術中心的技術開發工程師Franz Maidl解釋說：“注射成型用的模具非常昂貴，我們的目標是，獲得一種完全能與MAI Skelett技術相媲美的解決方案，但希望用3D打印來大幅降低成本。”

 

    為了對Skelett車頂框架進行下一代的革新，研究人員采用兩種不同的3D打印方法以及連續的碳纖維增強熱塑性塑料制成了兩個不同的示范部件。他們使用選擇性激光燒結（SLS）和注射或AFP技術，對MAI Skelett項目示范的前車頂框架作了改進。而本文所介紹的部件，則是將基于擠出的3D 打印與AFP結合起來，用于生產一個位于底盤邊框之間B 柱連接處的中間車頂框架。這兩個框架都略微彎曲，與底盤框架一起形成一個閉合的箱體結構，提供了必要的剛度和抗扭力。但是，前車頂框架還需要與擋風玻璃以及用于內飾部件的多個附件相配合。

 

 

    由Maidl領導的寶馬團隊將SLS 和擠出確定為最適合車頂框架的3D打印工藝。SLS是利用激光將粉末材料燒結成由部件的3D CAD 模型定義的固體，比如，意大利CRP Technology公司就采用其添加了碳纖維粉碎料的多個級別的Windform 材料和SLS工藝來制造復合材料的部件。

 

    為了將SLS 工藝與CFRTP材料結合起來，寶馬團隊采用SLS工藝打印出非常復雜的結構，以形成可以注射或鋪放熱塑性CFRP材料的空腔。Maidl說：“我們首先打印出這個部件，然后放入CFRP 增強材料，接著放入金屬嵌件。” 金屬嵌件可用于將車頂框架與周圍的結構連接起來。第二個工藝選項是基于機器人的擠出，即塑料顆粒熔化后，安裝在機器人手臂上的3D打印頭對塑料熔體進行沉積。“這對我們來說更有吸引力，因為它比SLS便宜。”Maidl表示。

 

    “采用擠出技術還可以利用回收材料。” TUM的3D打印研究助理和專家Alexander Matschinski說道， “我們采用了一種注射級別的材料，它比SLS材料便宜10倍。”

 

    Maidl表示，每千克不到5歐元的成本對于SLS而言是不可能的。采用SLS工藝的問題是，雖然可以重復使用從以前的打印中收集而來的粉末，但由于已經被加熱過一次, 導致材料會喪失一些特性和可加工性，所以，必須加入至少50%體積比的新粉末。為確保加入的比例正確，還需要投入成本對此進行監控。而采用擠出，只需將以前的材料粉碎后，放入熔體料斗中，即可再次使用。用于該項目的擠出機由德國Hans Weber Maschinenfabrik公司提供。

 

    “擠出還允許我們使用批量生產的材料級別，所以，這是一項非常具有成本效益的工藝。”Matschinski說道，“另一方面的優勢是材料的沉積速度高。在大型加工中，最大的材料沉積速度可達2～35 km/h，而其他工藝的加工速度大多局限在1 km/h以內。"

 

    為了生產該項目的示范件，采用TUM的AM Flexbot打印機（由荷蘭CEAD公司提供）和由短切碳纖維（CF）增強的一種標準的聚酰胺（PA）配混料（由德國AKRO-PLASTIC公司提供）打印出基本形狀，然后采用AFP 技術鋪放單向碳纖PA帶，以對局部進行加強。這些帶材由西格里碳纖維（SGL Carbon）提供。由于打印用的材料和局部加強用的材料使用了相同類型的纖維和基體材料，因而更便于回收。“我們的設計是構建一個夾層結構，即在3D打印的芯層上下鋪放AFP表皮層。” Maidl解釋道， “這使我們消除了模具成本，幫助我們創造了一個具有經濟吸引力的商業案例。”

3D打印的芯層, AFP的表皮層：正弦圖案為采用一種擠出的CF/PA配混料3D打印出芯層提供了連續的路徑，隨后采用AFP將 UD CF/PA帶材鋪放到芯層的上下表面，從而低成本地創造出一種堅固的結構（圖片來自寶馬和TUM） 

 

 

    針對部件的芯層，該項目選擇了對稱的正弦波圖案，這是為什么呢？

 

    “最佳圖案的選用取決于打印工藝，也取決于下一個工藝步驟以及所要求的整體機械性能。” Matschinski說道，“對于我們的機器人打印機而言，最有效的圖案是，要有連續的材料沉積路徑。所以，這是一種從頭到尾無窮盡的曲線形狀，即正弦波，它為采用AFP鋪放帶材提供了平臺。”

 

    “此外，該部件基本上是一個輕微彎曲的梁，一邊會產生張力，另一邊會產生壓力。” Matschinski繼續說道，“為了使這些負荷從一邊傳遞到另一邊，需要按±45º鋪放纖維，我們設計的圖案做到了這一點。因此，正弦波變成了剪切網。通過選擇曲線半徑，就能生成平順的機器人打印路徑。”

 

    “我們采用600 g的材料，打印芯層的時間不到30 min。” Maidl說道，“這非常快。然后我們采用AFP技術，通過向前移動片層來鋪放增強材料。接著，在最后一步中加入金屬嵌件和板材。” 這些金屬嵌件可由機器人或人工放置，也可以用超聲波焊接。

 

 

    Matschinski 表示，所有的機器人加工都具有極高的可重復性。“但你必須用定義好的形狀將打印的部件放進來，以便于纖維鋪放。你可以在特定的區域加工這個部件，以獲得所需的精度，比如，需要放置嵌件的區域或者需要連接其他部件的區域。這意味著需要將增材制造與減材制造結合起來，而CEAD機器人就是為此而設計的。”

 

    他推測說，更好的商業案例是更快地打印，然后加工成最終的形狀，而不是緩慢而精確地打印。“為了與100 kg/h的傳統注射成型速度相媲美，最好是以10 kg/h的速度進行打印，只需略微加工表面即可，而不是按諸如1 kg/h的速度進行高精度的打印。”

 

    “答案還取決于哪里需要高精度。”Maidl補充道，“中間車頂框架有兩個點要與汽車的金屬框架相連。這些點處存在公差問題，而在這些點之間就沒有公差問題了。對于前車頂框架，采用SLS工藝和CFRTP材料可以獲得較高的精度，這使我們克服了擋風玻璃和內飾附件處的公差問題。” 他解釋道，現在，寶馬正在努力將基于擠出的3D打印和 AFP 方法應用到更復雜的部件上。

 

    “最終，我們生產出的部件要比空心的鋼部件輕40%。” 他說道， “我們還在確保性能極為相似的情況下將中間底盤框架的橫截面減小了50%。” Matschinski表示，這只是“3D打印+擠出+AFP“的綜合技術所能做到的一個例子。

 

    該研發項目現已結束，寶馬團隊獲得了理想的內部技術就緒指數。“我們對短纖維打印的桁架很感興趣，并已獲準為一個零排放的汽車項目開發一種結構部件。” Maidl介紹說。

 

取代金屬的機器人夾持器：現在，3D打印與AFP技術的結合已被擴展到為裝配機器人制造輕便、堅固的夾持器，以便以更快的速度和更高的精度來拾取大型模塊，如車頂和舉升門。上圖的黃色為金屬夾持器，下圖的黑色為復合材料的夾持器。這種新方法降低了25%的成本、20%的重量和60% 的碳排放，并縮短了50%的交貨時間（圖片來自寶馬） 

 

    “我們也有興趣將這項技術用于制造機器人用的夾持器。” Maidl表示，“與目前裝配生產中用于拾取復合材料車頂的金屬夾持器以及安裝這些模塊的其他金屬工具相比，我們提供的解決方案更快、更便宜且更輕。將3D打印與復合材料結合起來，能夠制成更堅固、更輕質的夾持器，而且訂制這種一次性的裝置，其成本更低、交貨期更短。對于廣泛的應用而言，我們看到了3D打印與連續纖維相結合所帶來的減重降本優勢及供應鏈方面的優勢，它具有低成本生產高性能部件的潛力。”