第4節-後處理和零件製造

FDM工具的最終表面粗糙度由幾何結構、層厚度和構建方向驅動。如前所述，竣工FDM複合材料工具具有固有的孔隙率和表面光潔度，這對於生產大多數應用的複合材料零件來說是不可接受的。對工具進行後處理可獲得所需的表面光潔度並提供真空完整性。

可以使用多種方法來改善工具的表面粗糙度，包括手動磨損、介質噴砂和翻滾，所有這些方法都有優點和缺點。目前滿足表面光潔度要求並提供真空完整性的最佳實踐是手動磨損，然後使用環氧樹脂密封劑。工具使用雙作用軌道砂光機手動打磨，砂紙粒度從120到800不等，逐漸變細。工具密封由兩部分環氧樹脂完成或者環氧薄膜粘合劑，儘管根據應用，也可以使用其他材料（例如，粘合劑背襯的FEP薄膜和類似材料）。

準備和密封FDM複合材料工具的最合適材料和方法將由應用決定。有關迄今為止使用的最常見密封材料的其他資訊，請參閱以下小節。

環氧樹脂密封劑

密封FDM工具最常見的方法是使用環氧樹脂密封劑。這些材料幾乎適用於所有的工具形狀，並為表面裝袋提供所需的真空完整性。有許多環氧樹脂材料可以有效工作。應選擇能夠承受所需固化溫度以及工具預期壽命的材料。還應評估它們與所選FDM材料的相容性（如附著力）。

Stratasys主要使用來自BJB Enterprises的TC-1614兩部分環氧樹脂。它在室溫下具有理想的低粘度，在工具表面上均勻分佈，同時也滲透到工具材料層中。然而，工具壽命評估的熱迴圈表明，TC-1614和其他常見的環氧樹脂通常在350°F（177°C）的含氧環境中經過大約30次固化迴圈後會氧化和分解。信封裝袋和/或在惰性環境中固化應顯著延長用高溫環氧樹脂密封的工具的壽命。評估更適合在350°F（177°C）固化溫度正在進行中；結果將在隨後的設計指南發佈中提供。

使用兩部分環氧樹脂（如TC-1614）密封工具的程式見附錄B。

使用環氧薄膜粘合劑也可以有效地進行工具密封（使用無支撐薄膜以避免在研磨/拋光過程中暴露載體材料）。同樣，許多材料選項將發揮作用，包括3M公司的AF-163和AF-555。也可以考慮替代材料，並應根據承受連續暴露於所需固化溫度的能力以及與所選FDM材料的相容性進行評估。與環氧樹脂漿料相比，薄膜粘合劑的主要優點是易於應用和確保均勻覆蓋。

背膠膜

背膠FEP（和類似的）薄膜提供了環氧樹脂密封材料的替代品。多年來，航空航太原始設備製造商一直使用Airtech的Tooltec CS5和Toolwright 5等薄膜，為傳統材料和工藝製成的工具提供有效的鋪層和脫模表面。這種薄膜最適合於具有最小和逐漸複雜輪廓的相對簡單和平坦的工具形狀，因為它們表現出最小的伸長率。FEP薄膜在損失之前也被限制在相對較低體積的零件上

由於刻痕、撕裂和對工具的粘附而產生的有效性。它們最理想的一個應用是維修工具，因為它們可以在沒有任何工具打磨的情況下使用，而且維修工具的零件體積往往是個位數。請注意，用背膠膜密封的工具必須採用信封裝袋，因為除非與其他密封方法相結合，否則對此類薄膜進行表面裝袋是無效的。

表面光潔度結果

下圖4-1顯示了竣工FDM表面的最終表面光潔度，用無砂塗的背膠膜（Tooltec CS5）密封的工具，手動砂塗後用背膠膜密封的工具和用環氧樹脂密封的手動磨損工具。複合材料刀具最常見的表面光潔度要求也顯示出來進行比較（64µin（1.6µm），Ra）。可以看出，用於密封FDM複合材料工具的常用方法產生的表面光潔度比典型要求要平滑得多。

圖4-1：常見FDM後處理技術產生的表面粗糙度。

第5節-工具壽命和特性數據

在設計指南開發過程中進行了廣泛的測試和表徵，以驗證FDM複合材料工具的性能。測試包括對溶劑暴露、放氣（以驗證是否缺乏潛在污染物）、水分暴露、精度和熱穩定性的評估，以及對工具壽命的初步評估。以下小節提供了評估總結和主要結果。所有測試都是在ULTEM 1010樹脂中生產的工具或測試試樣上進行的。

精度和熱穩定性

為了評估準確性和穩定性，在熱迴圈前後對多種工具進行了評估。生產了三種工具設計，構建風格（外殼與稀疏）和尺寸各不相同，共有五種變體（見圖5-1）。這些工具被送往外部檢查機構進行精確的3D掃描。使用具有SLP 300鐳射頭（來自laser Design）的Platinum FaroArm（來自FARO Technologies）。使用PolyWorks View 3D計量將掃描數據與每個工具變體的CAD模型進行比較軟體（來自Innovametric）。

用於該評估的複合工具在初始3D圖像之前進行了後處理（研磨）。之所以選擇這種配置，是因為幾乎所有FDM複合材料工具都將經過這樣的準備，從而使後處理工具的準確性成為最相關的數據。儘管操作員之間的後處理可能存在一些可變性，但材料的總量發現在磨損過程中去除的相當小（使用標準最佳實踐），並且不代表總體尺寸變化的顯著部分。

如上所述，工具在暴露於高溫下之前進行掃描，然後進行熱迴圈。對於迴圈，將工具真空裝袋（信封裝袋方案），加熱至350°F（177°C），在全真空下保持溫度兩小時（最低），然後在兩次迴圈之間降低至150°F（66°C）以下，總共連續10次烤箱迴圈。

3D掃描器的精度為±0.0015英寸（0.0381 mm），FaroArm的精度也為±0.00115英寸（0.0381mm），總精度為±0.003英寸（0.076 mm）。此限制適用於掃描並與原始CAD數據進行比較的工具。為了將迴圈後的刀具幾何結構與迴圈前的掃描數據進行比較，必須將精度匯總或“疊加”，從而導致精度限制為±0.006英寸（0.152 mm）

圖5-1：用於熱穩定性測試的工具設計（顯示為打磨，但未密封）。

精度和熱穩定性-結果

評估的代表性數據集如圖5-2至5-5所示，用於列印示例工具和原始CAD模型數據之間的比較（無熱迴圈）。如圖5-2所示，掃描數據顯示，外殼式工具的面積與模型相差約0.019英寸（0.482 mm），超過92%的工具在±0.015英寸（0.381 mm）範圍內。對於這個特定的例子，超過該值的大部分區域都在EOP之外。作為參考，主題工具的尺寸約為14.5 x 10.5 x 4英寸（368.3 x 266.7 x 101.6毫米）。

對於與上述相同的示例工具幾何結構，但以稀疏構建樣式設計和列印，數據顯示該工具的面積與模型的差異約為0.018英寸（0.457毫米），如圖5-3所示。對於該工具，超過90%的工具在±0.015英寸（0.381 mm）範圍內，同樣，可以看出，變化較大的大多數區域位於EOP之外，並集中在工具的垂直面上。

圖5-2：無人機風扇葉片工具（外殼式）的3D掃描數據，帶有與原始CAD模型（無熱迴圈）。尺寸單位為英寸。

圖5-3：無人機風扇葉片工具（稀疏型）的3D掃描數據，帶有與原始CAD模型（無熱迴圈）的顏色圖比較。尺寸單位為英寸。

圖5-4和5-5顯示了10次熱迴圈後上述兩種工具的掃描數據。可以看出，尺寸變化可以忽略不計，特別是考慮到±0.006英寸（0.152毫米）的精度限制。對於外殼工具，超過95%的工具表面在該限制範圍內，對於稀疏工具，超過90%。計畫對工具精度進行進一步調查，包括使用更精確的檢測設備（如CMM），並將包括在未來的設計指南中。用於評估的工具正在進行額外的熱迴圈。此外，特別是對於稀疏刀具，掃描數據顯示刀具末端垂直表面的大部分變化。這是合法的變化，還是與掃描設備的限制有關，尚待驗證。

圖5-4：熱迴圈後無人機風扇葉片工具（外殼式）的3D掃描數據，與3D的顏色圖比較迴圈之前掃描相同工具的數據。尺寸單位為英寸。

圖5-5：熱迴圈後無人機風扇葉片工具（稀疏型）的3D掃描數據，與迴圈前相同工具的3D掃描結果進行顏色圖比較。尺寸單位為英寸

高溫機械財產

下圖顯示了在臨界高溫下進行機械測試的數據。圖5-6顯示了在不同溫度下ZX方向上構建的樣品壓縮載荷的應力-應變曲線。該數據集由密蘇裏科技大學航空航太製造技術中心（CAMT）生成。根據ASTM D695進行壓縮試驗。

圖5-7顯示了在平面、邊緣和垂直方向列印的樣品在不同臨界溫度下的彎曲模量數據。根據ASTM D790程式A在外部實驗室進行測試。圖表顯示，在350°F（177°C）的固化溫度下，ULTEM 1010樹脂的硬度降低了20-30%，這取決於印刷方向。

圖5-6：ULTEM 1010樹脂在不同溫度下的應力-應變關係

圖5-7：不同方向的臨界溫度下的彎曲模量。

水分敏感性

隨著時間的推移，許多聚合物材料以不同的速率在一定程度上吸收水分。根據製造商（SABIC）的說法，ULTEM 1010樹脂在75°F/50%RH（24°C/50%RH）下飽和時將吸收0.7%。由於水分可能對複合材料層壓板的品質有害，因此進行了相對初步的測試，以確保可以通過基本的預防措施來防止這種不利影響。

為了確保飽和和“最壞情況”的暴露場景，將四個工具（外殼和稀疏結構各兩個）放置在140°F/90%RH（60°C/90%）的濕度室中兩周。調節後，隨後將兩個工具在250°F（121°C）下乾燥4小時。然後在每個工具上生產八層准各向同性碳/環氧樹脂層壓板。固化後對層壓板進行目視檢查，然後切片進行顯微鏡檢查，以檢查孔隙率、分層、起泡和其他水分誘導效應的跡象。主要目的是證明即使在最惡劣的氣候下，如果水分吸收成為一個令人擔憂的問題，使用前烘乾工具足以防止對固化零件產生不利影響。事實上，大多數處於正常使用狀態的工具都可能存儲在遠沒有測試過的環境那麼惡劣的環境中。

正如預期的那樣，水分暴露測試表明，使用前乾燥的工具（在250°F（121°C）下4小時）可以生產出品質合格的層壓板（沒有明顯的孔隙率或其他明顯問題）。

溶劑暴露

對ULTEM 1010樹脂試樣（未密封）進行溶劑暴露測試，以驗證其與複合材料製造設施中使用的最常見溶劑——異丙醇（IPA）、丙酮和甲乙酮（MEK）——的一般相容性。在正常操作過程中，大多數複合材料工具只會短暫暴露於此類溶劑中，例如在零件製造前擦拭乾淨。為了證明總體相容性，對溶劑灑在工具上並在相當於一個週末（約48小時）的時間內無人注意的情況進行了評估，以代表可能的最壞情況。將試樣置於ULTEM 1010樹脂中，然後將其浸入溶劑中48小時。暴露後，將樣品從溶劑中取出，並在250°F（121°C）下烘乾兩小時，以確保殘留溶劑蒸發。彎曲強度（三點彎曲設置）根據ASTM D 790測定，並與基線數據（無溶劑暴露）進行比較。

乾燥後，暴露試樣的彎曲強度恢復到相對於基準試樣的完全強度，這證實了如果溶劑從工具中蒸發，最終性能不會受到影響。在實際製造使用過程中，工具通常只會短暫地暴露在少量溶劑中，在這種情況下，預計不會發生性能變化。工具也將密封在最有可能暴露於溶劑的表面，這將增加額外的保護和安全級別。

工具壽命

對非金屬工具的使用壽命有一個全面的瞭解是至關重要的，特別是對於生產工具的考慮，或者對於原型之外的任何大量零件來說。由於所涉及的時間和資源，通過實驗獲得資訊也是具有挑戰性的。在建立初步基線的過程中，收集了實際（經驗）和分析數據。

對於經驗測試，遵循了前面描述的精度和熱穩定性測試的基本方法，但擴展到了更多的熱迴圈。測試了兩種主要的外殼式和稀疏式結構中構建的單一工具幾何結構（無人機風扇葉片）（工具如圖5-1所示）。工具在350°F（177°F）、全真空、僅烤箱下迴圈30、60和90次，然後進行評估（檢查和3D掃描）和層壓板製造（八層、准各向同性碳/環氧樹脂），隨後進行檢查。

對於分析部分，使用動態力學分析（DMA）來評估彎曲試樣（三點彎曲配置）的蠕變。在100 psi（689 kPa）的加載條件下，在多次升高的溫度（355°F（179°C）、385°F（196°C）和400°F（204°C））下進行等溫測試，然後使用時間-溫度疊加（TTS）原理來理解長期行為。TTS的使用基礎來自於已證明的原理，即通過沿著時間/頻率軸移動曲線，可以將給定溫度疊加在不同溫度的數據上。請注意，施加在複合材料工具上的大部分載荷本質上不是彎曲的，而是壓縮的。因此，評估彎曲財產代表了“最壞情況”的荷載條件，並確保結果是保守的，儘管稍微不太直接適用。對壓縮蠕變進行評估是理想的，但在測試時還沒有這樣的設備。

工具壽命-結果

對於30-90個迴圈的迴圈工具的實際評估（僅在烘箱中，僅在真空中），發現用於密封工具的TC-1614兩部分環氧材料在大約30個迴圈時開始分解，並且在60個迴圈時具有嚴重的氧化和變色。儘管有證據表明環氧樹脂密封劑降解，但層壓板是在兩個迴圈水準的工具上製造的，沒有任何問題。一個工具也被持續90個迴圈，但環氧樹脂密封劑不再能夠持續粘附在工具上，並且在層壓板製造過程中被從表面拉出，在該過程中損壞了工具。未密封區域的工具本身有輕微的顏色變化，但沒有損壞或退化的跡象。正在對替代密封材料進行評估，以解決這一問題。

對於ULTEM 1010樹脂的分析評估，通過DMA測量並使用TTS原理轉移到355°F（179°C）的彎曲蠕變數據如圖5-8所示，以及355°F下的應力-時間關係（179°C）主曲線。同樣，需要注意的是，該數據是在彎曲載荷條件下獲得的，預計這將是一個比複合材料模具實際經歷的實際迴圈壓縮載荷更苛刻的載荷條件。也就是說，結果支持ULTEM 1010樹脂複合材料工具能夠在原型製作卷的要求。失效時的彎曲應變為測定為3.5%，根據ASTM D790進行測試。選擇應變極限，例如因為在355°F（179°C）和100 psi（689 kPa）下暴露超過200小時後，預計不會出現0.5%

圖5-8：ULTEM 1010樹脂試樣的彎曲蠕變數據——僅使用TTS（頂部）和355°F（179°C）數據（底部）轉移到355°F。

ULTEM 1010樹脂能夠在更苛刻的加載條件下（彎曲）進行相當於數十次高溫高壓高壓釜迴圈的性能，可能超過100次迴圈。當然，使用較低的壓力和/或較低的溫度固化迴圈只會延長可用壽命。該數據還表明，對於在僅真空袋迴圈中產生的相對較低的負載下使用，工具壽命對於典型的航空航太工業零件體積來說並不是一個重要問題（至少從蠕變引起的工具變形）。經驗測試強調了所用特定密封材料的局限性，但支持由ULTEM 1010樹脂材料製成的工具的能力。為了更明確地確認長期能力並形成更全面的理解，有必要進行進一步的測試。附加的工具壽命特徵仍然是重點。未來的開發數據將包含在後續的設計指南發佈中。

工具維修

在正常的製造操作過程中，由於搬運和日常使用造成的輕微工具損壞的可能性相當高。FDM複合工具在工具損壞方面具有幾個優點。首先，這些工具的重量往往只相當於同等金屬工具的一小部分。由於大多數中等尺寸的工具都不需要起重機和叉車，因此這種重量減輕可以實現更簡單的搬運和儲存。例如，公工具的重量約為21英寸（533毫米）直徑和16英寸身高小於22磅（9.5公斤）。如果確實發生損壞，FDM熱塑性塑膠可高度修復。這可以通過列印工具的新部分並使用與前面提到的用於連接大型分段工具（如熱焊接或結構粘合劑）的相同方法將其連接起來來實現，這取決於損傷的應用和大小。最後，由於FDM工具的成本和交付週期往往明顯低於傳統工具，在不太可能發生嚴重損壞的情況下，從成本角度來看，3D列印一個全新的工具通常是可行的。附錄D中提供了修理FDM工具的基本程式。

第6節-用例和示例

客戶成功案例-達索獵鷹噴氣式飛機內飾板

達索獵鷹噴氣式飛機是商務航空領域的領導者。通過對技術創新的不懈追求，達索創造了世界上最先進、最高效、最舒適的噴氣式飛機。Falcon Jet渴望創新，不斷簡化供應鏈，縮短上市時間，並對生產和開發環境做出動態回應，這促使他們尋求新的製造解決方案。FDM解決許多關鍵痛點的潛力促使Falcon Jet和Stratasys合作，研究FDM工具在中低體積複合材料結構中的操作和經濟優勢。

Falcon Jet和Stratasys的團隊密切合作，為飛機內飾板的複合材料結構重新設計工具，以優化FDM工藝的設計。圖6-1和6-2顯示了複合材料面板的疊層工具和機加工夾具的顯著變化。

圖6-1：傳統玻璃鋼疊層模具視圖（頂部）和FDM疊層模具（底部）。

圖6-2：傳統FRP加工夾具（頂部）和FDM加工夾具（底部）的視圖。

面板的疊層模具設計為稀疏型工具，具有暴露的支撐結構（即開口/無蓋端），以優化氣流並最大限度地減少材料使用，如圖6-1所示。儘管在工具中留下了梯形切口，以適應叉車等設備的運輸，但FDM工具的重量僅為17磅（7.7公斤），可以很容易地手動運輸。Falcon Jet複合材料面板需要在1個大氣壓（僅真空）下達到250°F（121°C）的中等固化溫度，這完全在用於疊層模具的ULTEM 1010樹脂的性能範圍內，因為它可以輕鬆承受350°F（177°C）以上的固化迴圈。

複合材料面板的加工夾具採用與疊層模具相似的風格設計，結合了暴露的內部結構，以減少材料使用。此外，加工夾具採用印刷支架設計，可與CNC加工中心和提升點對接，輕鬆融入現有工作流程，並採用ASA材料生產，以節省額外成本。

相比之下，用於內部複合材料面板的傳統纖維增強聚合物（FRP）鋪設工具和機加工夾具各需要10-16周和20-30萬美元的採購時間，表6-1。FDM技術證明了將每個工具的交付週期、成本和重量顯著減少70-80%或更多的能力。通過使FDM複合材料工裝符合中低批量生產的要求，Falcon Jet能夠對生產環境中的需求波動和定制做出動態、經濟高效的回應。

表6-1*成本包括材料、機器製造時間、硬體以及準備和檢查所需的勞動力。

客戶成功案例-副翼心軸

在開發創新的下一代複合材料結構時，一家領先的公務機OEM與Stratasys接洽，尋求驗證FDM複合材料上置工具的使用。使用ULTEM 1010樹脂芯軸，開發並製造了一種正在申請專利的“單次發射”（一體式、單次操作結構）複合副翼的概念驗證產品。

副尺寸副翼為全長（~24英寸（610毫米））和厚度，但與生產版本的96英寸（2438毫米）全跨度相比，翼展減小了（~24英尺）（610毫米。疊層工具由7個部分的21個ULTEM 1010樹脂心軸段組成。每個部分都有一個主要的中間部分和兩個用於組裝的短端蓋，如圖6-3所示。分段是垂直建造的，以最大限度地減少材料使用並優化表面光潔度。在一臺Fortus 900毫升上，所有分段的總建造時間都不到六天，使用的材料不到3600美元。（有關更多資訊，請參閱表6-2。）心軸也用於製造過程中的專有初始步驟，這對適當的層壓板固結和整體尺寸控制至關重要。過程中和最終副翼圖像見圖6-4和6-5。

通過這種方法，客戶利用了ULTEM 1010樹脂更高的CTE（相對於傳統的工具材料），實現無故障在零件固化和冷卻後移除心軸。總體而言，FDM工具提供了增加的功能，同時減少了交付週期和成本。

表6-2*基於Fortus 900mc的建造時間和材料（成本在五年內攤銷，以65%的利用率運營）。**使用0.020英寸（0.508毫米）的切片高度（在本項目時不可用），可以將構建時間縮短40-50%。由此產生的工具成本約為5600美元。材料使用包括模型和支撐。

圖6-3：單發複合副翼示意圖（左）和七個芯軸部分的模型（右）。

圖6-4：副翼過程中的上籃和最終配置（未顯示真空裝袋）。

圖6-5：最終的單發複合副翼子尺度演示器。

客戶成功案例-Aurora Flight Sciences多部件整流罩工具

Aurora Flight Sciences（AFS）是航空和航空研究領域公認的領導者，專門設計和建造專用飛機。AFS和Stratasys合作，在開發和生產多種載人和無人飛機結構的過程中，評估和實施FDM複合工具、輔助製造工具（夾具、夾具、裝飾工具等）和飛行部件。一位關鍵客戶要求AFS在很短的時間內為一架經過改裝的半人馬座飛機設計和生產一個大型腹部吊艙整流罩（約9英尺（2.74米）x 24英寸（0.61米）x 30英寸（0.76米）[L x W x H]）。在收到多份傳統複合材料工裝的外部報價後，AFS向Stratasys尋求支持。

整流罩的尺寸要求對工具設計進行分段，以適應結構Fortus 900立方釐米（36英寸（0.91米）x24英寸（0.61米）x36英寸（0.9一米）[寬x深x高]）的艙室。此外，如圖6-6所示，最佳尺寸的零件設計會導致陷入工具幾何結構（即，在不拆卸或破壞的情況下，固化零件無法從剛性工具中移除）。FDM的靈活性使節段設計成為可能，使工具的關鍵圓柱形截面在鋪設和固化後很容易從零件中脫落。

由於玻璃纖維/環氧樹脂整流罩使用低溫固化[<200°F（93°C）]，不使用高壓釜材料，因此該工具內置在PC中以節省成本。PC相對於ULTEM 1010樹脂的較高CTE（比PC低40%）的影響由於相對較低的固化溫度而減小。部分建築有兩種建築風格——稀疏和空心外殼。稀疏的部分是在900毫升的Fortus上與Xtend結合建造的™ 500個材料罐【每個罐500英寸³（9194釐米³）的材料】，以減少建造時間和材料更換。建造完成後，用高溫膨脹泡沫填充中空部分，以進一步提高工具剛性，同時將成本和製造時間降至最低。

充分利用FDM功能，AFS能夠滿足客戶的要求，因為與傳統工具相比，交付週期縮短了60-80%，同時還節省了60-75%的成本（參見表6-3）。除了顯著節省成本和時間之外，FDM實現了設計的無故障分割，允許使用陷波工具配置。2015年6月的一篇文章介紹了FDM複合工具的這個例子在《複合材料世界》雜誌上（Sara Black，“日益增長的趨勢：3D列印航空航太工具，《複合材料世界》，2015年6月22日至31日），也線上：http://www.compositesworld.com/articles/a-growing-trend-3d-printing-of-aerospace-tooling

表6-3*基於使用Stratasys Direct Manufacturing在多臺機器上並行構建工具段，展示了使用支持局來管理過剩構建能力的案例。

圖6-6：FDM構建後幹式裝配工具（頂部）和帶有固化玻璃纖維/環氧樹脂整流罩的工具（底部）。

圖6-7：安裝在半人馬座飛機上的複合材料腹部吊艙整流罩（塗裝前後）。

客戶成功案例-RockWest複合材料雷達罩

Rock West Composites是一家複合材料產品的全方位服務供應商，提供從初始工程和產品開發到原型設計以及低批量和高批量生產的服務。他們利用各種各樣的製造技術，並利用數十年的行業經驗，提供定制、經濟、高性能的解決方案。

在與Stratasys合作完成各種開發專案後FDM工具的獨特交付週期優勢，Rock West被一位客戶接洽，該客戶需要在不到4周的時間內生產一個直徑為20英寸（508毫米）的低介電（石英）雷達罩，用於飛行測試。Rock West認識到，該專案的時間緊迫，體積小，是利用FDM獨特優勢製造雷達罩的絕佳機會。

Stratasys和Rock West密切合作，為雷達罩設計了模具和鑽孔導軌。疊層模具由ULTEM 1010樹脂製成，用於高溫[350°F，（177°C）]固化，鑽導由更具成本效益的材料ASA製成。疊層模具採用兩英寸（51毫米）厚的外殼和0.5英寸（12.7毫米）稀疏的雙重密集填充圖案，將外殼和稀疏風格的設計結合在一起，如圖6-8所示。增材製造工藝所賦予的設計自由度允許這種設計的優化，這提供了一種剛性結構，也使材料使用和成本最小化。疊層模具和鑽孔導向器都在三天內生產完成，使複合材料部件能夠在不到四周的時間內生產並安裝在飛機上。FDM工具的使用使Rock West能夠在嚴格的時間限制下生產精密產品。圖6-9顯示了疊層模具和鑽孔導軌的視圖。

圖6-8：FDM疊層模具上的複合部件（白色）視圖（琥珀色）。

圖6-9：FDM疊層模具視圖（左）和ASA鑽頭導向器視圖（右）。

表6-4*假設擁有Fortus 900毫升的原材料和機器運行時間的成本數據。

客戶成功案例-Penske比賽團隊：高溫大師和犧牲心軸

 Penske 團隊是職業體育史上最成功的球隊之一。憑藉450多場大賽的勝利，他們有著進步和創新的歷史。Penske團隊現在正尋求FDM技術來加速開發，實現複合材料結構的動態回應和製造。

Penske 團隊需要為即將到來的比賽快速製造一個由碳纖維複合材料製成的燃料探測器本體。燃料探測器主體是一個更大組件的一部分，該組件用於為賽車快速加油，如圖6-10所示。傳統上，燃料探針主體由鋁片金屬和管道製成。比賽團隊希望改用複合燃料探測器，以便更好地結合回饋感測器，減輕重量，改善化妝品。然而，比賽季節的時間限制很緊，傳統複合材料工具方法的交付週期很長，這使得生產複合材料燃料探針主體幾乎不可能。Penske團隊選擇使用FDM技術製造燃料探測器主體的主圖案和核心，以大幅減少他們的工具交付時間，並為即將到來的比賽提供生產能力。

圖6-10：燃料探針本體視圖。

圖6-11：初始製造過程中複合材料模具主圖案的視圖。

表6-5*成本包括材料和機器製造時間，假設擁有Fortus 900mc。

客戶成功案例–Swift Engineering，Inc.無人機螺旋槳槳葉壓縮成型工具

斯威夫特工程公司（Swift Engineering，Inc.）是賽車運動和航空產品開發與製造領域公認的領導者，在開輪賽車方面有著廣泛的血統，在航空航太領域也有著強大的新興影響力。在為風洞測試開發進度關鍵硬體的同時，Swift充分利用FDM複合材料工具節省時間的優勢，快速生產出一種複雜的匹配模具，用於壓縮成型碳纖維增強環氧無人機螺旋槳葉片。

大約14 x 4 x 2英寸（356 x 102 x 51 mm）的半模是使用相對較小的層厚度[0.01英寸（0.25 mm），T14構建尖端]在水準構建方向上構建的，如圖6-12所示。由於形狀複雜，沒有完全適合消除樓梯踏步的構建方向；選擇這種方向是為了最大限度地減少支撐材料，同時仍然減少工具大部分區域的臺階。該工具由ULTEM 1010樹脂製成，具有所需的耐溫性和機械性能。由於時間限制，沒有對設計進行重大的增材製造優化設計，這意味著仍有可能進一步減少製造時間和材料使用。如表6-6所示，按照設計，兩個半模需要30小時的構建時間。對於後處理，半模被手動研磨並用兩部分環氧樹脂密封，最終表面光潔度超過16µin（0.4µm）Ra。

圖6-12：螺旋槳壓縮成型工具：水準構建方向（頂部），匹配的半模（底部）。

該工具已成功用於生產多組螺旋槳葉片，如圖6-13所示，用於風洞測試。具體的加工細節是專有的，但碳/環氧樹脂葉片在約250°F（121°C）的溫度和超過500 psig（3447 kPa）的壓力下固化。由此產生的葉片滿足所有初始檢查要求。風洞測試將用於評估葉片設計的性能，並驗證FDM在模具中的使用。

使用FDM技術，Swift Engineering滿足了嚴格的時間表要求其創新產品開發和評估過程的初步技術目標，同時在複雜的壓模模具上實現50%以上的成本節約。

圖6-13：在ULTEM 1010樹脂製成的壓模工具上生產的碳/環氧複合材料螺旋槳葉片

表6-6*基於Fortus 900mc的建造時間和材料（機器成本在5年內攤銷，以65%的利用率運行）。

客戶成功案例-航空航太維修工具

領先的航空航太公司與Stratasys合作，評估並確定ULTEM 1010樹脂是一種合格的複合材料維修工具材料。FDM在工具成本方面提供了巨大的優勢，對於維修情況來說，最重要的是及時性。一個組織提出了一個崇高的要求，即在工程檔發佈後的48小時內生產出維修工具和由此產生的複合材料維修層壓材料。FDM是少數能夠持續實現這一目標的技術之一，同時提供同樣重要的350°F（177°C）固化溫度能力。FDM證明了在生產高質量層壓板的過程中滿足所有要求的能力。

FDM複合材料工具，尤其是ULTEM 1010樹脂其特徵在於脫氣、水分敏感性、溶劑相容性，以及更多，包括測試面板和常見的維修工具形狀，如右側所示的圖像中的形狀。

圖6-14：常見維修工具幾何形狀-帽加強件形狀

圖6-15：複雜輪廓補丁修復工具（頂部，箭頭指示穩定器壁）和後處理過程中（底部）。

表6-7*基於使用0.02英寸（0.508 mm）切片高度的Fortus 900mc的製造時間和材料（機器成本在5年內攤銷，使用率為65%）。

無人機圍板工具

背景：無人機護罩工具是由一家領先的公司開發和使用的航空航太公司生產飛行硬體，主要用於評估FDM工具並與傳統金屬工具進行比較/對比。對該工具的公模和母模（未顯示-評估仍在進行中）變體進行了評估，使其能夠靈活控制零件的內模線（IML）或OML表面。

方法：外殼式和稀疏式工具都是在ULTEM 1010中生產的樹脂，允許固化溫度>350°F（177°C），儘管該應用僅需要250°F（121°C）。生產凸形外殼和稀疏工具是為了進行比較，因為最初認為外殼工具可以節省時間和成本。然而，從下表中可以看出，這種尺寸的工具在成本上幾乎沒有差異，並且由於較厚的外殼工具表面所需的表面輪廓數量增加，構建時間更長（直線光柵比非線性輪廓擠出得更快）。母工具的生產是為了提供控制零件外部空氣動力學表面的能力，並且尺寸稍大，以允許材料疊層。因此，該工具的構建時間和成本略高。所有工具都以垂直方向構建，以最大限度地減少樓梯臺階和支撐材料的消耗。對於後處理，工具被手動研磨並用兩部分環氧樹脂密封，最終表面光潔度超過16µin（0.4µm）Ra。所得零件（在公型稀疏工具上生產）也如圖6-16所示（袋子側面顯示了專有塗層）。

圖6-16:ULTEM 1010樹脂中的FDM工具（頂部）和產生的零件（中間、底部）。

此外，還創建了一個單獨的鑽孔和修整工具（圖6-17）補充上籃工具。通常，此類工具的列印成本較低材料。在這種情況下，由於工具尺寸小，它們是在ULTEM 1010樹脂中以與疊層模具相同的構造生產的。該輔助工具設計用於嵌套在生成的零件上，並使用索引孔來確保精確對齊和最終修剪輪廓。結果-所有工具都在不到3天的時間內完成了製造和後處理，成本低於600美元（每個）。*

*成本基於Fortus 900毫升的建造時間和材料（機器成本在5年內攤銷，使用率為65%）。

圖6-17：頂部-外殼式圍帶工具垂直構建方向（頂部）；稀疏樣式的上籃工具和相應的鑽孔和修剪工具（底部）。

無人機艙壁工具

背景：隔板工具是一個基於生產部件的示例工具設計，經過修改以演示本指南中深吃水內螺紋工具的設計。疊層表面代表最終零件的OML，因此尺寸控制對於確保飛機結構內的正確裝配和組裝至關重要。

方法：由於艙壁工具的形狀本身就是剛性的，而且幾乎沒有考慮到稀疏工具的好處，使用了shell設計。由於工具的凹形和深度，熱膨脹是防止固化部件被工具鎖定或損壞的重要考慮因素。該工具的固化溫度為250°F（121°C）。儘管溫度要求較低，但ULTEM 1010樹脂是首選材料，因為它提供了FDM材料中最低的CTE。該工具以平面（“水準”）方向構建，具有精細解析度構建尖端[0.010英寸（0.254 mm）切片高度]。這是該幾何圖形的最佳構建方向，以最大限度地減少零件內部半徑中的階梯。包括工具的頂部法蘭，以輔助零件固化後提取。它們提供了在EOP外部堆放材料的區域，這些材料可在零件拆卸過程中用於杠杆作用，隨後進行修剪。然而，有一個折衷方案，即可選法蘭確實需要大量的支撐材料，因此值得考慮替代設計，以進一步優化工具。對於後處理，工具被手動研磨並用兩部分環氧樹脂密封，最終表面光潔度超過16µin（0.4µm）Ra。

結果：適用於250°F（121°C）固化溫度的內螺紋工具設計在不到三天的時間內以更低的成本實現、建造和後期處理超過980美元。

*成本基於Fortus 900毫升的建造時間和材料（機器成本在5年內攤銷，使用率為65%）。

圖6-18：無人機艙壁工具。

圖6-19：無人機艙壁工具正在準備使用。

圖6-20：水準構建方向（頂部）；工具設計橫截面（中間）；顯示錨柱的橫截面，用於防止FDM過程中的熱變形（底部）。

延伸閱讀:

複合材料工具2.0的FDM設計指南（一）

複合材料工具2.0的FDM設計指南（三）