Caracol大幅面增材制造（LFAM）解决方案为航空航天领域赋能

导读：增材制造发展至今，其在航空航天领域的应用重要性已经不言而喻。当然，这不仅仅只是指某个单一的增材制造工艺。航空航天行业的原始设备制造商（OEM）越来越多地针对各种用例选择广泛的 3D 打印工艺和解决方案，从直接金属激光烧结 (DMLS) 到熔融沉积成型 (FDM) ），到大幅面增材制造（LFAM）。

在开发LFAM解决方案的厂商中，意大利公司 Caracol是一家典型代表，该公司可以支持航空航天制造商生产大型复合材料模具，并正在扩展其生产太空应用大型金属结构零件的专业知识和能力。Caracol公司独特且多功能的 LFAM 解决方案（适用于复合材料和金属）具有多种优势，并使航空航天从业者者能够达到更高水平的创新和效率。

Caracol 的 LFAM 解决方案

自 2017 年在米兰成立以来，Caracol凭借其应用优先的方法，已成为 LFAM 领域的关键领导者。早期，该公司只是一家 3D 打印服务提供商，利用其机器人增材制造技术以及内部设计和工程能力，为不同行业的合作伙伴生产一系列项目和合格的零件。此后，该公司又开发了聚合物和复合材料 LFAM 技术——Heron AM，并将其商业化。这是一款 6 轴机器人 3D 打印机，能够生产无尺寸限制和复杂几何形状的零件。该平台自推出以来，在多家先进行业知名OEM厂商得到应用。

大幅面 Heron AM 3D打印解决方案基于Caracol的专利硬件和专有软件，与多种材料（包括 PP、ABS 和玻璃纤维或碳纤维增强 PC）兼容，为航空航天业带来多项优势部门，包括：

• 减轻重量
• 零件整合
• 灵活的生产计划
• 专用材料
• 复杂的设计
• 更少的消耗
• 降低成本
  

最近，Caracol 还进军了金属增材制造领域，目前他们正在开发线弧增材制造 (WAAM) 系统。该技术适用于生产大型金属部件，例如非结构成品部件、用于测试的结构部件原型以及航天器的关键部件。该系统目前尚未商业化，但它是Caracol几个创新研究项目的核心，其中包括一个针对航天工业的项目，我们将在下文中进一步介绍这一项目。

民用航空复合材料工装

在民航行业，Caracol的HeronAM解决方案在复合材料模具的生产方面展现出巨大的应用潜力。例如，该技术已成功用于制造由玻璃纤维增强 ABS 制成的修整和钻孔工具以及由碳纤维增强 ABS 材料制成的冷层压工具。这两种工具都用于飞机机身的生产和维护。

修整和钻孔工具用于飞机机身的建造和维护，以对铝、钛和复合材料等材料进行切割和成型。机身部件必须尺寸精确并符合航空业的严格标准，因此飞机制造商必须有能力生产符合规格的高质量修整和切割工具。就其本身而言，冷层压工具也是飞机制造和维护中的重要部分。具体来说，维修人员在现场维修机身系统时使用它们，在机身部件的表面涂上一层薄薄的保护膜，防止腐蚀、划痕和其他操作损坏，从而有助于延长飞机的使用寿命。

在生产这些航空工具时，Caracol 使用了配备高流量 (HF) 挤出机的 Heron 300+ 配置。该 LFAM 系统采用无导轨标准配置，能够打印长度长达三米的工具。两种工具都是一体打印的，最大限度地减少了组装需求，并使用 CNC 加工进行精加工，以确保严格的公差和最佳的表面光洁度。

与传统的模具工艺相比，Caracol 的解决方案使航空制造商能够减少材料浪费（高达 70-80%）、减轻模具重量（减少 80-90% 以方便运输和存储）并将交货时间缩短一半（从 12周至 5-6 周），这反过来又可以显著节省 50% 左右的成本。

用于 eVTOL 飞机的固化工具

Caracol 还在探索将其技术用于固化模具的生产当中，特别是在 eVTOL 飞机（电动垂直起降）等领域中的模压热固性预浸料过程。固化工具用于碳纤维层压工艺，通常根据最终部件的几何形状进行定制设计。在电垂直起降飞行器生产中，这些工具是由高性能复合材料制成的，例如聚碳酸酯，其中含有 20% 的碳纤维增强材料，并且必须能够耐受中温热压过程 (高达 180°C 和 6bar的工作温度和压力)。利用 LFAM 直接生产复合模具可以减少生产步骤（即不再需要主模型）。此外，由于增材制造的设计灵活性，该工具可以针对重量和搬运进行优化，便于物流和存储。

Caracol 解释道：“凭借其六轴和几米宽的机械臂范围，Heron AM 可在单个工作周期内打印具有复杂几何形状的固化工具，而无需组装。大多数情况下，打印后的模具会通过 CNC 进行后处理，以达到其工作表面所需的表面粗糙度和尺寸公差。这也使我们能够为模具配备凹槽，以便直接在模具中修整最终部件。” 最终，eVTOL 飞机制造商可以通过使用 LFAM 生产固化工具来获得竞争优势并提高生产效率，因为它有助于减少浪费、缩短交货时间并降低制造成本。

金属 LFAM 零件在太空中的应用

Caracol 在航空航天业的影响力也超出了复合材料大型增材制造的范围：该公司目前正在推进金属增材制造在太空应用大型结构部件中的应用。在与太空物流公司 D-Orbit S.p.A. 和米兰理工大学机械工程系的合作下，Caracol 正在开展一个项目，开发可安装在运载卫星上的压力罐，用于将CubeSats运输和释放到轨道上。这些紧凑的CubeSats可用于多种用途，例如数据收集和研究，以及研究和商业应用的电信和监测操作。

Caracol 在 TechFastLombardia 融资招标（POR FESR 2014-2020）后参与了该创新项目。简而言之，该公司一直在使用其 WAAM 3D 打印解决方案— 基于金属惰性气体 (MIG) 焊接系统 — 开发采用轻质铝合金 (AL2319) 制成的加压罐。与更传统的纤维绕工艺相比，增材制造的使用已经带来了多项优势，包括更复杂、优化的设计、更少的材料浪费和卓越的减重效果。减轻重量对于该应用尤为重要，因为它可以显著降低与卫星发射相关的燃料和推进剂成本，并减少航天器发射过程中的尾气排放。Caracol 的 WAAM 工艺还通过打印单件零件来简化生产流程。这消除了组装壳、芯、心轴、配件等部件的需要，并显著缩短了交货时间。

这个金属增材制造项目在另一个层面上也具有重要意义。正如Caracol解释的那样，项目合作伙伴还开发了一种“数字流程”，它将软件、控制和自动化结合起来，以管理创建金属航空航天零件的端到端流程。这种数字流程使最终用户能够“在高度自动化和高效的工作流程中控制每个流程阶段，保证可重复性，使 WAAM 技术成为传统制造的有效且高效的替代方案。”

LFAM 在航空航天领域的挑战和机遇

Caracol 的复合材料和金属材料LFAM 解决方案符合航空航天增材制造的大趋势。该行业同样对大幅面增材制造抱有很大的兴趣，并正在与增材制造厂商合作，克服该技术实施的现有限制和挑战，以最大限度地发挥其效益和影响。

当今最大的挑战之一与 LFAM 甚至更广泛的增材制造技术缺乏相关的技术标准和认证方法。正如 Caracol 所说：“增材制造硬件需要强大的质量控制以及资格和认证程序，以确保质量和一致性。整个行业需要完善标准并达成一致，以确保航空航天应用增材制造组件的可重复性、可靠性和质量。”

换句话说，LFAM需要认证流程，才能使该技术完全适用于飞机结构部件的生产。建立这些认证流程的主要挑战与几个因素有关，包括缺乏详细的表征和增材制造特性数据库。幸运的是，ISO 和 ASTM 正在制定和发展一系列增材制造标准，这将帮助增材制造供应商满足航空航天应用的严格要求。例如，Caracol 的 Heron AM 工艺持有 AS/EN 9100 认证，保证满足航空航天应用生产的严格质量标准。

材料表征也是一个需要解决的重要问题，特别是在 3D 打印复合材料方面。自 20 世纪 80 年代以来，传统制造的复合材料已经改变了民用和商用航空，通常用作金属材料的更轻质替代品。因此，3D 打印复合材料的能力可以通过减少材料浪费并通过优化设计进一步轻量化部件，为飞机制造商带来更多机会。更不用说能够更快地生产复合材料零件并以经济高效的方式进行小批量生产。随着这方面的进一步标准化和验证，复合材料的LFAM可能成为一种广泛且极具优势的航空解决方案。

最终，解决这些挑战将使 LFAM 平台在航空航天应用越来越可行，并使更广泛的飞机原始设备制造商受益于这项技术。这些好处包括材料节约和重量减轻，这意味着更低的燃料消耗；优化性能的更复杂设计；零部件整合，简化了后期生产步骤，如装配和质量保证；更灵活的生产容量；最终缩短交货时间并降低生产成本。