隨著3D 打印材料的進步，它們的應用也在進步。幾年前，以聚合物或復合材料3D 打印部件代替金屬部件聽起來簡直是天方夜譚。因為那個時候，3D 打印品是由薄弱的材料和脆弱的結構制成，僅適合用作可以外觀的原型。但現時已經不同了，幾乎每種類型的3D 打印機都可以打印更堅固的材料，這引發(fā)了制造業(yè)的一場 “小革命”。如今，人們正在考慮將打印出來的零件用于實際機械運作上，而不只是限于過去的外觀原型設計上。

　　3D打印機的技術已逐漸得到改進，使打印出來的成品質素大大提高，這是能滿足傳統制造零件強度重要的一環(huán)。隨著3D打印技術愈趨成熟，全球企業(yè)現正探索將3D打印技術套用于機械運作零件上的可能性。如果單位數量足夠，但數量不過多，這將允許企業(yè)以較低廉的生產成本制作更複雜的零件或幾何形狀。金屬3D 打印也是可行的，但它是迄今為止最昂貴的3D 打印類型，因為它需要昂貴的設備、設施、后處理設備、材料和專家人員等。所以，一般如需維持單一使用金屬零件，大部分用戶還是會選擇直接使用金屬鑄造。但若設計中部分零件能使用替代品，聚合物和復合材料3D 打印將會是一個不錯的選擇。

　　PEEK 等高性能聚合物以及含碳纖維和陶瓷纖維的復合材料具有與金屬相似的溫度、機械和化學電阻，許多行業(yè)已發(fā)現其性能符合某些應用的要求。但這些材料的極限是什么？行業(yè)仍在努力找出用3D 打印的超級聚合物和復合材料取代傳統制造金屬部件的界限。

　　生產教練機及其功能性部件

　　Werco Manufacturing 是俄克拉何馬州Broken Arrow 的一家航空航天和國防制造商，也是一家正在探索這個問題的公司。2020 年，該公司在其制造能力中增加了兩臺Roboze Argo 500 3D打印機，其中還包括鈑金制造、焊接、數控加工和零件精加工。該公司的大部分業(yè)務（約70%）來自軍方，其余業(yè)務則來自于商業(yè)航空公司。

　　Werco不僅為航空航天和國防制造最終用途零件，還專門制造用于維護和程序培訓的飛機訓練設備（“教練機”）。 Werco 首席運營官Andy Bartovick 解釋說：“這些教練機可能非常龐大和復雜，或者像幾個零件組裝一樣簡單?？蛻舾嬖VWerco 最終產品需要包括哪些任務，以及它需要低保真、中保真還是高保真，然后我們根據這些要求來生產教練機。”

　　高保真的教練機需要盡可能在性能、外觀等方面接近實際飛機，它們通常使用回收的飛機零件制成。但是，能夠回收的飛機零件越來越少。

　　Bartovick 指出，空軍正在想盡辦法延長飛機的生命周期，目前有兩三架飛機本應在幾年后退役，但空軍已經將這些飛機的壽命又延長了10 年、15 年或更長時間。但即便當它們達到壽命，在終于能被回收之前，軍方通常還會拿走其中能用的零部件，并通過MRO 流程將這些零件重新使用，所以最后真正能回收的零件通常是不可用的，商用飛機也是如此，而且當進行回收時，還要冒著延長交貨時間的風險。

　　3D 打印很適合替換回收的零件，因為這項工作體積小，而且是一次性、不需要批量化的生產。且不再需要進行回收、改造、制造等環(huán)節(jié)，大大提高了制造效率。

　　該公司還沒有準備好投資金屬3D打印系統，但它需要一種方法來生產與金屬相似的部件。Bartovick指出，教練機的功能性部件會經歷大量的磨損，傳統聚合物在這類應用中不夠耐用，但高性能聚合物（如PEEK）和復合材料（如碳纖維PEEK）卻足夠耐用。高性能聚合物材料不僅能夠應用在生活領域中，還可以應用在飛機零件上。Roboze打印機的最大亮點就是能夠使用這些高性能材料進行零件制造，可以說Roboze Argo 500為使用高性能材料而生，它具有可以加熱功的打印室和打印板，以及長絲干燥和預熱系統，確保用戶可以準確一致地打印高性能聚合物和復合材料。

　　更好、更快、更強

　　Werco 已經發(fā)現了使用更強的高性能材料如PEEK 和碳纖維PEEK 的許多好處。首先，碳纖維PEEK 部件可以通過車床或銑床進行機械加工。與手工打磨相比，機械加工是一種更快更容易完成零件的方法。該公司還用3D 打印的機器零件來移除支撐、減小誤差，使它們更接近回收零件的領域。根據公司的說法，只要3D 打印部件可以固定并且是實心或接近實心的，加工它就像加工金屬部件一樣方便。

　　這些材料也比傳統的聚合物部件更容易上漆和粉末涂層。3D 打印零件的噴漆工藝與金屬零件相同，但車間在將ABS 和PLA 等傳統材料放入加熱的噴漆房時需要小心。PEEK 和碳纖維 PEEK 的耐熱性足夠高，完全不用擔心噴漆室溫度過高的問題。高耐熱性以及保持負電荷的能力還允許碳PEEK 進行粉末涂層。

　　經驗與教訓

　　現在，Werco 擁有這種機器已經快兩年了，Bartovick 說，他們已經學到了一些關于3D 打印高性能材料的重要經驗。首先，回歸現實，引進了標準的ABS 和PLA。事實上，Argo 可以打印傳統的和高性能的纖維是一個額外的獎勵，因為機器沒有一個封閉的材料生態(tài)系統，可以從許多來源獲得標準的纖維。估計，該公司60% 的3D 打印工作是碳纖維PEEK，其余40% 平均分配給普通PEEK 和ABS。

　　由于大部分零件都是用高性能材料打印的，Werco 會根據線軸上剩余的材料量組織生產。Bartovick 指出，這些高性能細絲材料價格并不便宜，因此不希望出現一個卷筒沒有足夠的絲材而另一個卷筒還有剩余的絲材的情況。“我們肯定會努力通過卷上的絲量來衡量零件的運行情況。”他指出，在一卷上留下20英尺的碳纖維PEEK絲并不是“大事”，但隨著時間的推移，就會造成成本的增加。

　　Roboze正在開發(fā)軟件，使用戶在不影響部件打印的情況下切換中間細絲卷， Werco也正在努力尋找一種方法，將較小的纖維融合在一起并重新纏繞它們。

　　未來機遇與挑戰(zhàn)

　　Bartovick 表示，由于目前制造最終用途零件、內部工具產品和原型/ 測試零件的任務量巨大，Werco 幾乎每天都在運行這兩臺3D 打印機。所以Werco 正在考慮使用Roboze Argo 1000（打印體積為：1,000 × 1,000 × 1,000 mm）來打印更大的零件。制造中心可以直接制造大尺寸零件，而不必打印較小的零件，通過組裝和涂漆獲得尺寸更大的零件。該公司還期待與來自 Roboze 的新型高性能材料合作，包括由切碎的陶瓷纖維加強的Helios PEEK 2005。這種材料將具有更高的熱性能，由于其更好的表面光潔度，可能需要更少的后處理。

　　Werco 希望能將在教練機3D 打印方面的成功轉化為實際飛機上的3D 打印。Bartovick 認為，碳纖維PEEK 具有優(yōu)異的耐機械沖擊性、耐熱性和耐化學性，可代替金屬部件。這些零件可以進行機加工以確保嚴格的精度，并像金屬零件一樣涂漆或涂層。他還指出，碳纖維PEEK 零件比3D 打印金屬零件需要更少的后處理。

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