總部位于瑞士蘇黎世的9T Labs開發了一種名為增材融合技術（Additive Fusion Technology，AFT）的三步制造工藝，可使用具有成本競爭力的自動化工藝來生產復合材料零件。該工藝流程從使用Fibrify設計軟件進行設計和零件分析開始，然后通過在構建模塊中沉積單向膠帶細絲來制造連續的纖維增強預制件，隨后將這些預制件放置在Fusion模塊中進行壓縮成型，最后通過固結而合并成預成型件，消除空隙，并輸出輕質、高強度的形狀零件。

這種集成的工藝鏈能夠以最小的浪費和比金屬更低的成本連續生產具有>60%纖維體積分數和<1-2%空隙率的零件。根據零件尺寸的不同，單個構建模塊和融合模塊組（均為350×270×250毫米）每年可分別生產多達5,000個預成型件和10,000個零件。AFT還可以實現復雜、精細的尺寸細節和非常精確的纖維方向控制，以實現承載能力、重量、制造速度和成本的定制優化設計。

圖1 使用AFT生產的用于直升機門的碳纖維增強熱塑性塑料（CFRTP）鉸鏈

9T Labs與瑞士西北應用科學大學合作，研究使用AFT生產的用于直升機門的碳纖維增強熱塑性塑料（CFRTP）鉸鏈（圖1）。其對標產品是用于空客直升機（前身為歐洲直升機）EC135門的CNC加工不銹鋼鉸鏈，該鉸鏈通過四個M8尺寸的螺栓固定到旋翼機的碳纖維/環氧樹脂艙門上，設計為在門打開的情況下，能夠承受幾乎2.2千牛頓的垂直于軸承載荷的最大靜載荷（圖2）。

圖2 直升機門的金屬基準件

使用現成的短切碳纖維CF/聚醚醚酮（PEKK）膠帶（預切至相當于1-2K絲束）和整齊的純聚合物長絲開發并3D打印了三種AFT設計。所有三種3D制造設計都在四個螺栓孔和鉸鏈銷的主軸承孔中安裝了金屬襯套。該過程開始于使用9T Labs基于云的FiFify軟件套件，該套件可通過插件與常見的結構分析包連接。

Fibrify設計套件是美國Ansys公司CAE/多物理場仿真環境中SpaceClaim 3D建模工具的擴展。對于直升機門鉸鏈，第一個黑色金屬設計（圖3）從現有CAD文件導入SpaceClaim。該設計使用了與基準相同的內部和外部幾何圖形。使用Fibrify選項（例如帶生成器、填充線或輪廓參考、垂直分布工具等）來布置纖維路徑，以提供典型的準各向異性（0°、90°、±45°）層壓板，而無需優化利用各向異性復合材料的特性。黑色金屬部分由底部水平板的34層和垂直板的26層組成，每層厚度為0.2毫米。

圖3 黑色金屬設計

接下來的兩種設計包括第一層纖維鋪層和第二層纖維疊層（圖4），為了加快打印速度，對尺寸進行了小范圍修改；纖維取向也得到了優化，從而可充分利用各向異性復合材料的性能。

圖4 通過優化進行了第一次鋪層(左)，并在第二次疊層時添加局部加固(右)實現了進一步優化

第一層纖維鋪層：優化首先開始于將黑色金屬設計導出到Ansys中以運行有限元分析（FEA）模擬，設計以HDF5C文件導出到Ansys Composite PrepPost (ACP)中進行各向同性優化，輸入鉸鏈邊界條件和載荷，并使用模擬結果來改進CF/PEKK鉸鏈設計（圖5）。

圖5 為更好地利用AFT工藝，對黑色金屬的負載條件和拓撲進行了優化

與FEA模擬中的黑色金屬設計相比，由此產生的第一層纖維鋪層（圖4）將失效載荷提高了200%。故障發生在離鉸鏈銷“背面”的部分，在那里垂直板滿足水平板。

第二層纖維疊層：為了進一步提高零件的強度，然后進行了第二次優化，添加纖維以增強初始失效區域；第二層纖維疊層增加了45%的破壞載荷，并將失效轉移到垂直板中的鉸鏈銷區域。因此，故障現在位于設計限制的幾何結構區域，在不改變幾何結構或零件厚度超出本項目允許范圍的情況下，無法進行進一步優化。

零部件的成型與測試

第一層纖維鋪層和第二層纖維疊層設計采用多體策略，將零件分為四個子部分（圖6）。這種方法可使所有空間方向的纖維充分利用連續纖維打印的各向異性特征，使纖維與負載對齊。

圖6 使用多個打印子部件以優化各個方向的纖維排布

這四個子部件使用9T Labs的紅色系列構建模塊進行打印，然后在Fusion模塊中使用機加工的鋼制匹配工具組通過壓縮成型融合在一起。需要注意的是，在350°C、45千牛頓的壓力下，僅使用6千瓦時的功率進行壓縮成型，循環時間為20分鐘。通過進一步優化工藝參數，可以進一步降低功耗。

然后，FHNW對打印和壓縮成型的AFT鉸鏈進行了機械測試。將鉸鏈的底部水平板用螺栓固定在測壓元件中的固定金屬板上，然后將垂直力應用到安裝在垂直板的主軸承孔中的鉸鏈銷上。每個鉸鏈都經過試驗而失效。

零部件的對比分析

在圖7中將優化后的AFT鉸鏈的特性和性能與對比基準樣和黑色金屬設計進行了比較。第二種纖維疊層設計的重量僅為27.5克，比基準鋼構件重量輕75%，而最大靜載荷能力從3.0千牛頓增加到6.9千牛頓，增加了200%以上。

圖7 優化后AFT部件主要性能

通過使用Fiberify的生產評估工具，還對第一層纖維鋪層和第二層纖維疊層設計的成本進行了評估，發現其成本是基準鋼構件的一半。每一種設計都被導入，然后添加參數，例如使用的材料、打印溫度、機器攤銷所生產的零件數量等，從而得出成本估算，并按成本構成（材料、工藝）和子部分進行了細分。

在隨后的一項研究中對進一步優化進行了研究，并以《Experimental and numerical analysis of the consolidation process for additive manufactured continuous carbon fiber-reinforced polyamide 12 composites》為題于2022年12月在線發表。使用CF/聚酰胺12 (PA12)材料再次打印并加固鉸鏈的設計，這一次是為了在紅色系列融合模塊中演示加固/成形過程的仿真模型。

該模型預測了固結部分的過程誘發變形，包括溫度、結晶和孔隙率的影響。它可以高精度地預測最終零件的成分、殘余應力和孔隙率以及翹曲趨勢。它還實現了對融合模塊過程的快速模擬，減少了原型設計迭代次數。