纤维复合材料以其轻质结构而著称。传统的模具成形常常需要通过铣床加工的方法来获得，因此，成型件的结构复杂程度非常有限。本文介绍了一种由3D打印建造核心部件层状结构的方法。此核心部件的基体材料不会对环境有害，并且能够很轻易地被水溶解，工艺步骤非常简单，在几天之内就可以产生一个很复杂的结构。它表明了3D打印技术在原型制作和小模型应用上有着相当大的潜力。

制造轻质复合结构的方法包含几个步骤。首先，必须生成原始工件，这将限定产品的形状。根据该工件的复杂性，工件必须被分成子工件，这将在后面组合成一个更大的结构。作为一种替代，该工件的各个部分可以被分层，副模具可以粘结到随后生产步骤中的成品模具。常用工件一般有两种不同工作方式：作为磨损后的模具和作为许多生产周期的工件。

如果所需的外体是类似管道网络的形状，那么使用磨损的内核部件可以显著减少模板，这些形状在轻质工程领域很常见。由于核心部件通常分界，沙子或其它可成形的材料被使用。这种材料被喷射形成形状，类似于注射模具成型的工艺过程。在某些情况下，模具随后被密封材料涂覆以准备下一个步骤，即随后的叠层(lamination)步骤。

根据所要求的质量，核心部件涂上一层凝胶涂层。现在可以使用不同的叠层技术。一方面有预浸泡。这些组织中，含有玻璃纤维或碳纤维，是一种聚合物，准备粘到表面上，并且可以在高强度高温度情况下被硬化。对于常见材料，温度水平可高达180℃。一个冷叠层过程的结果是得到更加柔软的材料。

这里常用的方法是通过刷涂或喷涂，使用上聚酯树脂，部分地硬化的树脂，并通过滚轴使粘性聚合物附着在纤维材料上。相比于预浸渍技术，这种方法能够实现的复杂性更高了。

该技术是基于一种工件来生产核心部件。这种依赖性意味着制造更小批量的能力降低。该产品的生产时间过长，生产原型产品在经济上是不可行的。在这里，可以发现产品开发过程缺乏一致性，而使用3D打印技术打印核心部件就可以弥补这一缺陷。在下面摩托车部件一步步的生产过程就是为了显示这一技术的可能性。

电单车摇杆的CAD模型

3D打印核心部件

voxeljet使用基于粉末的3D打印工艺。此方法的特征在于根据CAD数据直接逐步生产部件。在制备过程中，数据被分割成可被打印机处理的位图图像。

第一步，把特定量的粉末添加到建造盒里面的建造平台。该粉末扩散装置被引导通过建造空间和铺平粉末。在此步骤之后，一个喷墨打印头喷出活化液到粉末上。，这激活了粉末层中的粘合剂，并且它的颗粒粘合在一起。为了构建核心部件的主体，该建造平台下降一层并且重新开始该过程。重复这个工序，直到该部件在粉末中最终完成。

打印过程完成后，该部件可以从松散粉末中取出。为了正确地进行清洁，需要风吹或喷砂处理。在一个对流烘箱中完成一个简短的硬化阶段过程。

该voxeljet IOB材料被用作于核心部件基体材料。这种材料混合物主要成分是石英砂。此外，该粉末材料还包含一种粘合剂，它可以被喷头喷出的水基液体激活。该材料系统生产出来的所有部件都是环境友好型的。

3D打印的核心部件

预备

3D打印过程生成的部件具有一定的孔隙。这些孔隙在叠层过程中必须进行安全填充处理。

为了达到可接受的效果，选择了两个步骤的处理。第一步，涉及用到铸造工业传统的采用灰浆密封。在这里使用的是德国Hüttenes-Albertus工厂的Zirkofluid 6672型号材料。该浆料是基于酒精的一种分散剂，因此对打印的核心部件没有任何影响。该涂层是通过把部件快速在Zirkofluid灰浆中浸泡形成的。浸泡后，该部件还待检查是否有溢出和液滴，这些都可以被擦拭掉。这个浆料涂覆过程最终将在对流烘箱中以60-80℃温度下烘干完成。

涂层处理的第二步包括应用一个精细层来完全填充孔隙。这可以采用瑞士Aeroconsult公司的密封剂(Aquaseal)来实现。Aquaseal是一种水基剂，它可通过手工刷涂或喷枪喷到工件表面上。不建议采用浸渍，因为要避免水溶性部件的溶解。

该部件随后在60-80℃的对流烘箱内被烘干。一旦它完全干后，为了获得一个可靠的密封表面，涂层可以重复做几次。密封剂材料中带蓝色的颜色指示剂用于评价达到什么质量水平的有用工具。

叠层：

已准备好的核心部件现在可应用于叠层了。在这种情况下需要用到一种聚酯材料。此聚合物通过玻璃纤维组织得到强化。

快速硬化材料在大约五分钟开放时间内被使用，因此这一步骤可以在不妨碍工作过程情况下被快速重复。两种材料元件的混合被涂刷上核心部件，如果表面由于聚合作用变粘，应用玻璃纤维组织并用刷子抹平。重复这些步骤，直到材料壁厚达到1毫米。

核心部件叠层

核心部件移除和完成：

为了移除核心部件，新建的叠层结构通过在聚合物材料中钻孔打开。这些孔的位置是选择在随后步骤中金属嵌件应用的位置上。

该核心部件溶解在温水中，为了达到良好的溶解速率，整个部件浸入水中。移动核心部件促进水中的对流，从而加速溶解过程。该器件保持浸泡在约10升水中约两个小时。

在某些情况下，有必要通过使用管和注射器，在叠层体的长通道内产生所需要的对流。所有材料必须被安全地移出以优化部件的重量。

就其一般来说，这一过程之后，该部件会有一个粗糙的表面和各种缺陷，比如残存空气或错位纤维材料。因此，需要填充和打磨的工序来实现了光滑的表面。这一步之后，该部件还可以喷漆。

从左至右依次为：3D打印的核心部件;涂层的核心;蓝色的第二层，叠层；冲洗出来的核心部件；喷色后带金属嵌件的摩托车摇摇杆#p#分页标题#e#

喷色后带金属嵌件的摩托车摇摇杆

结论

本文介绍了使用3D打印技术连接复合纤维材料来生产核心部件的方法。得益于层叠体的快速制造，这种方法非常适合于制造原型和轻质结构小批量部件生产。这就为潜在的应用领域的采用和投入创造了一个闭合完整的加工链。