聚醚醚酮（PEEK）、碳纤维复合材料和陶瓷纤维复合材料具有与金属相似的耐温性、耐机械冲击性和耐化学性等功能特点。由这些复合材料与聚合物制成的部组件具有非常多的优异性能，那么用3D打印制成的高性能聚合物材料和复合材料零件能代替传统制造的金属零部件吗？专为航空航天和国防工业制造关键组部件和功能结构的Werco制造公司正在为飞机训练模拟器制作3D打印部件，其功能类似于金属。但这能扩展到最终用途的飞机部件吗？
随着3D打印材料的进步，它们的工业应用也在加强与拓宽。PEEK等高性能聚合物以及碳纤维和陶瓷纤维复合材料具有与金属相似的耐温性、机械性和耐化学性，许多行业已经发现它们的性能符合某些应用的要求。但这些材料的局限性是什么？工业用户仍在努力寻找用3D打印的高聚物和复合材料取代传统制造的金属零件的界限。
Werco制造公司是位于俄克拉荷马州Breake Arrow城的一家航空航天和国防工业制造商，也是一家正在探索这个问题的公司。2020年，该公司在其制造能力中增加了两台Roboze Argo 500 3D打印机，其中还包括钣金加工、焊接、数控加工和零件精加工。它的大部分工作（约70%）来自军方，而其余工作则用于商用航空公司。
除了制造最终用途的零部件，Werco制造公司还为商业航空公司和国防工业机构制造维护和零件任务的训练模拟器和教练机。这些模拟器和教练机可以小到几个零件，也可以大到一架飞机机身，通常由回收的飞机制成。
Werco首席运营官Andy Bartovick说：“我们通常会为驾驶舱后面的所有东西打造训练器。”。“我们不是在建造全飞行模拟器。它主要是维修训练器和部分任务训练器。”这些教练机可以是非常大和复杂的，也有可能简单到几个零件和组件。客户只要告诉最终型号需要包括哪些任务，以及确定低、中和高保真度的配置要求，Werco制造车间就会根据这些要求生产模拟器或教练机。
高保真教练机需要尽可能接近真实的飞机，因此它们通常使用回收的飞机零件制造。但是，据Bartovick说，能够回收的飞机零部件越来越难获得。在军事方面，“很大一部分是空军正在延长一些飞机的生命周期，”他解释说。“现在有两三架飞机本应在不久或几年后退役，但他们已经把它们延迟了10年、15年甚至更长时间。”这些飞机一直在使用，直到它们不能再飞行为止，在它们被视为必须回收之前，军方通常会将可用的部件取出，并通过MRO流程使其重新使用，所以，能够回收的东西往往无法使用。对于商用飞机来说，有效回收也是同样困难的— —市场波动很大，而且变化非常快。Bartovick说：“在处理回收工作时，有太多的风险和额外的准备时间。”。
3D打印似乎很适合替换这些回收的零件，因为这些体积比较小且不需要批量化生产。Bartovick说：“这节省了时间，因为我们不需要把回收的东西带进车间，修改它，然后把它变成我们需要的样子。”。“从第一天开始，我们就可以开始工程过程并制造实际零件。”
随着回收的飞机零件越来越难以获得，Werco增加了两台Roboze Argo 500 3D打印机，从头开始生产这些零件。这些打印机设计用于使用高性能材料，如PEEK和碳纤维PEEK，这使工厂能够生产功能类似于金属的非金属零件。
该公司还没有准备好投资金属3D打印系统，但它需要一种生产类似金属零件的方法。Bartovick指出，训练器中的功能部件可能会经历大量磨损。“使用它的人都是经过培训的新手，所以你必须假设他们会把事情搞砸。”。传统的聚合物对于许多这样的应用来说不够耐用，但高性能聚合物（如PEEK）和复合材料（如碳纤维PEEK）则足够耐用。他解释说：“高性能聚合物中的长丝使我们能够将这些区域延伸到几乎可以像真正的飞机一样发挥功能的地方。”。这些材料就是Werco在Roboze机器上制作成型的材料— —它希望高性能材料能够使其3D打印能力与其他服务提供商有所不同。Argo 500是专为使用这些高性能材料而设计的。其特点包括加热成型室和成型板，以及长丝干燥和预热系统，以确保用户能够准确、一致地打印高聚物和复合材料。
Werco制造中心能够通过车床或铣床将碳纤维PEEK零件进行机械加工。这有很多的优势，一方面，通过增材制造和减材制造相结合的方式能够更快更便捷地得到想要的零件。另一方面，通过机械加工的方式去除3D打印零件的支撑可以减小误差，使零件具有高精度。据Bartovick说，只要3D打印的零件可以固定并且是实心的（或接近实心的），加工它就类似于加工金属零件（尽管他指出，碳PEEK非常坚硬，以至于会撕裂刀具）。
与ABS等传统聚合物相比，碳纤维PEEK的强度更高，耐热性更强，使这些零件可以像金属一样进行加工。PEEK零件外层也可以进行粉末涂层，使其具有更高的耐热性和保持负电荷的能力。
这些材料也比传统的聚合物零件更容易涂漆和粉末涂层。Bartovick说，很多进入训练器的3D打印部件都是喷漆的。“我们做的大部分教练机的零件最终都会被喷漆，”“所以我们可以把一个很大的零件做成多个零件，把它们粘在一起，在上面填充，然后再涂漆，然后你永远不会知道它是多个零件。”Bartovick说，3D打印部件的喷漆过程与金属部件相同，但在将ABS和PLA等传统材料放入加热喷漆室时，车间需要小心。PEEK和碳纤维PEEK的耐热性足够高，完全不用担心喷漆室温度过高的问题。高耐热性，以及它保持负电荷的能力，也允许碳纤维进行粉末涂层处理。
Werco已经拥有这台机器近两年了，他们已经拥有了降低打印成本的重要经验。使用高性能材料的3D打印部件价格很高，而且在某些应用场景，并不需要性能如此优异的零件，若所有的部件都使用高性能材料，最终会导致成品价格过高。所以Werco引进了标准的 ABS 和 PLA材料，使得Argo不仅可以打印高性能材料，还能打印标准带材，降低生产成本的同时使打印机的应用领域更广阔。Bartovick估计公司60%的3D打印工作是碳纤维PEEK，剩下的40%在普通PEEK和ABS之间平均分配。
高性能长丝价格昂贵，因此werco公司根据长丝在一卷中的剩余量来决定长丝的性能。操作人员检查卷筒的重量，以确保不会太小，还要确保卷筒不会烧到还有长丝的地方。
由于大部分零件都是用高性能材料打印的，Werco还学会了根据线轴上剩余的材料量来组织生产。Bartovick指出，高性能丝材价格昂贵，因此不希望出现一个卷筒没有足够的丝材而另一个卷筒还有剩余的丝材的情况，这样的”不同步“会造成打印失败，增加制造成本。Werco会通过卷筒上的灯丝数量判断零件的打印情况。Bartovick说，Roboze正在开发一种新的软件，使用户在不影响部件打印的情况下切换中间细丝卷，并且Werco正在努力寻找一种方法将较小的细丝融合在一起，并重新缠绕。
由于目前制造最终用途零件、内部工具产品和原型/测试零件的任务量巨大，Bartovick表示，Werco几乎每天满负荷运行这两台3D打印设备。所以Werco正在考虑使用Roboze Argo 1000（打印体积为：1000 × 1000 × 1000 mm）来打印更大的零件。制造车间可以直接打印大尺寸零件，而不必打印较小的零件，通过组装和涂漆获得尺寸更大的零件。Werco还希望能够使用新型高性能材料，包括用短切陶瓷纤维增强的Helios PEEK 2005。这种材料将具有更高的热性能和高表面光洁度，使得后处理操作大大减小。
Werco希望能将在教练机3D打印方面的成功转化为实际航空航天型号上的3D打印。Bartovick认为，碳纤维PEEK具有优异的耐机械冲击性、耐化学/热性能，可代替金属部件。这些部组件可以进行机加工以确保严格的精度，并像金属零件一样上漆或涂层。同时，相比金属材料，碳纤维PEEK零件的3D打印金只需要更少的后处理。
Werco已经注意到了航空航天领域对小批量和一次性零件的需求。Bartovick说：“俄克拉荷马城的Tinker AFB（Air Force Base）刚刚提供了一份备件清单，是一份 70 页的Excel电子表格，其中包含由于多种原因而难以获得的零件，这些零件没有相应的供应商或过于复杂。因此，我们正在研究这份清单，期望可以使用3D打印技术制造符合其规格的零部件。”。
原文来源于ADDITIVE MANUFACTURING媒体网站，编辑作者JULIA HIDER女士。
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