適用於 F1 及其他賽事的高性能 3D列印零件

▲照片由 Formula1.com 提供

隨著越來越多的目光轉向Formula One等全球賽車運動，讓每輛車變得更快、更強大的壓力越來越大。F1 車隊已經聘請了一些工程領域最聰明的人才，但有時即使是這些超級車隊也會尋求外部專家提供額外的動力。 

其中一位專家是 Mackart Additive，這是一家位於英國中部斯塔福德郡的工程和製造分包工廠。憑藉二十多年在工程設計和積層製造方面的經驗，Mackart 已經能夠推動 3D 列印超越快速原型製造的傳統參數。Mackart 目前約 80% 的專案都是針對 F1 車隊的—這些客戶不斷尋求輕量化、動力、可靠性和空氣動力學優化方面的漸進式改進。McCarthy 的團隊在碳纖維增強塑料 (CFRP) 組件的 3D 列印複雜工具方面表現出色，這些工具設定了以前無法實現的標準和新期望。  

Mackart 利用九台 Form 3 系列雷射光固化 (SLA) 列印機和 Form Auto 以及熱融沈積成型 (FDM) 和複合列印機，製造碳纖維模具和矽膠模具以及 3D 列印的最終用途組件。Mackart 與 Formlabs 的官方合作夥伴 Solid Print 3D 合作，已擴大到真正的生產量。「我們並不認為 3D 列印只是一種快速原型製作工具，而是一種高效的製造工藝，」Mackart 董事總經理 (MD) 兼創始人 Steven McCarthy 說道。

3D 列印碳纖維零件的複雜模具

McCarthy 擁有航空航太工程背景，但自 2016 年開業以來，Mackart 已與各個行業建立了合作夥伴關係，從管道設備製造商到國際賽車運動巨頭。 

碳纖維 (CFRP)是競技賽車運動領域最常用的材料之一，近期在汽車產業得到廣泛應用。CFRP 物件能夠承受賽道的高溫要求，具有無與倫比的強度重量比特性，可增強賽車各方面的性能。

碳纖維物件通常使用預浸漬（預浸）碳布片製造，並添加適量的未固化樹脂。然後將這些預浸料片材層壓到模具中或模具上，然後在高壓釜中通過熱和壓力進行固化。 

傳統上，每個模具均由金屬加工而成，以承受高壓釜的熱量和壓力。這種減法過程有幾個缺點——它可能浪費、緩慢且昂貴，並且會抑制迭代設計過程。隨著 3D 列印材料和硬體設備的進步，它已成為為這些應用創建硬質模具的可行選擇。

碳纖維模具組合技術

▲Mackart Additive 3D 列印實驗室結合了多種技術和工藝，包括兩個 Form Auto 系統，為各種工業應用創建先進的零件。

工業級模具成功的關鍵是優化列印設計和方向 - Mackart 團隊將這些參數歸結為一門科學。他們結合使用不同的 3D 列印技術和材料來設計和製造複雜的碳纖維模具和心軸，每種技術和材料都根據其特定屬性進行選擇。 

最初使用灰色樹脂，然後使用灰色 Pro 樹脂後，團隊開始測試高強度 4K 樹脂和高強度 10K 樹脂，並發現光滑的表面光潔度和剛性為最終使用的碳纖維部件帶來了最佳效果。「我們嘗試使用高強度4K進行單印模工具，結果非常好。我們使用雷射計量技術對它進行了檢查，在尺寸上它們呈現出驚人的結果 - 在某些情況下，我們發現與標稱 CAD 幾何形狀存在微米級偏差，」McCarthy 說道。

該團隊通常透過將大型工具分解成較小的部件，然後用周密考慮的緊固件將它們連接在一起來生產大型工具。「對於超出列印機成型體積的大型工具，我們經常採用法蘭接頭以進行組裝。我們可以生產三個或四個部件的組件，以實現長度接近 450 毫米的工具。」McCarthy 說道。

調整參數並優化流程

▲該碳纖維管道組件採用 3D 列印快速模具生產，包括在Form 3+ 上用高強度 10K 樹脂列印外殼，以及在大型 SLA 3D 列印機上列印的內部心軸模具。	▲McCarthy 3D 掃描用類PP樹脂在 Form 3 上列印的心軸，該心軸將用於 F1 空氣輸送管道的 CFRP 工藝。

在高壓釜固化過程中，溫度可能會超過工具材料的玻璃化轉變溫度，但團隊發現高強度 10K 表現良好，並且在重複使用後不會降低或失去其尺寸精度。「高強度 10K 樹脂是一種較硬的材料，可提供稍好的表面光潔度。它實際上是鋁的一個很好的替代品，」McCarthy 說。為了優化與碳纖維片相互作用的表面，Mackart 團隊對高強度 10K 樹脂模具件的表面進行了輕微修飾，以去除在列印過程中由於高強度 10K 樹脂獨特的光聚合物轉換而出現的玻璃顆粒。

該團隊還調整了熱壓罐過程中材料蠕變的補償係數，以便最終的 CFRP 零件製造符合公差。「它不會變得太複雜，我們可以在容忍範圍內完美地得到它。對於較大的工具來說，一切都與百分比有關，」McCarthy說。

對於管道和管道等複雜 CFRP 組件的內部形式，傳統上採用可溶性心軸。然而，對於較小的組件（適合列印機的成型體積），可以生產可提取的心軸，並避免 FDM 生產的傳統可溶解決方案的複雜性和時間投入。Mackart 使用類PP樹脂在此應用中取得了巨大成功。對於超出列印機成型體積的較大可抽出心軸，Mackart 也可以使用其內部 SLA技術。

魔鬼藏在細節中

積層製造非常適合賽車運動這樣的產業，其中設計中的每一次增量變化，即使是微米級的變化，都可能意味著一秒鐘的差異，或者衝過終點線的最後衝刺。汽車周圍以及通過汽車的氣流至關重要。 

「3D 列印為賽車運動提供了一個很好的解決方案，它提供了不受減材傳統限制的幾何自由度。在賽車上的空間非常寶貴的情況下，幾何形狀的自由度使團隊能夠優化整個空氣動力學套件。由於能夠毫不妥協地在汽車周圍操縱和編織高強度 CFRP 部件（由列印工具製成的 CFRP 部件），我們可能不會見證過去幾個賽季的一些性能提升。生產能夠釋放這種潛力的工具的能力是透過採用經過精心、完善的設計技術優化的 3D 列印工具來實現的。」McCarthy 說道。 

過去，透過傳統的減材加工方法在 CFRP 中製造相對複雜的幾何形狀，導致需要在物件中內置犧牲材料或備用材料，以便在最終裝配階段進行修整。3D 列印模具工具的準確性和穩定性在很大程度上緩解了這種備用材料的需求。現在有一個首次「正確」的期望標準，我們在最終的 CFRP 組件中反覆實現了這一目標。我們擅長的是實現真正邪惡、精確的幾何形狀，」McCarthy說。

使用 Form Auto 增加生產量

▲Form Auto 可以改裝到現有的 Form 3 或 Form 3+ 列印機上，使實驗室能夠隨著業務的增長逐步擴展其硬體安裝。 

Mackart 是 Formlabs 自動化解決方案的早期採用者；他們於 2023 年初開始運行 Form Auto，並一直在優化其自動化工作流程。「這是一個最大化產能的機會——Form Auto 的優點是你可以在一夜之間增加第三個梯次，」McCarthy說。 

Form Auto 被改裝到他們的九台 Form 3+ 列印機中的兩台上，並連續運行，通宵工作和周末工作，即使團隊回家後也能繼續列印。「借助 Form Auto，您可以進行第三班和周末班，並且無需計劃更換或成型平台的任何更改。它運行良好，非常適合小型物件以及最多 1000 個部件及以上的中型批量生產，」McCarthy 說道。 

Mackart 團隊始終致力於不同的項目，因此雖然他們仍在親自處理一些更新、更複雜的零件，但 Form Auto 可以處理許多重複性任務並減少列印機停機時間。「我們的交貨時間因此縮短，生產力提高，」McCarthy說。

為經典車款零件省下10,000 英鎊

其中一些重複任務是針對需要大批量生產的小零件，例如經典汽車零件。通常，這些零件是射出成型的，但其中許多工具早已消失在歷史中，最終庫存也已耗盡。這種情況導致一位客戶向 Mackart 尋求幫助。

過去，這些零件在庫存時每個零件的價格可能為 0.20 英鎊。3D 列印使這些零件的成本降低了 5 到 10 倍，但無需新工具的費用、最低射出成型生產運行、設置費用，而且無法將任何這些生產成本有效地分攤到每個個體上。 

3D 列印組件現在提供了一個非常可行的解決方案。「透過 3D 列印這些零件，您可以攤銷整個射出成型生產成本 - 我們透過逆向工程設計他們需要的任何零件，他們只需購買其中一個，無需為新的射出成型工具以及所有其他與流程相關的附加成本支付 10,000 英鎊或更多費用。他們就有了無限的供應機會，可以滿足他們所需的數量。」McCarthy說。 

在汽車產業，只少量的東西可能會非常昂貴，使得經典車款的修復和維護成為一種奢侈的追求。透過 3D 列印，Mackart 可以為客戶提供數量折扣。「這是一種更加靈活的經濟解決方案，這就是 Form Auto 的出色之處。只需很少的維護，您就可以運行 1000 個零件，只需偶爾插入一個新的樹脂盒，」McCarthy 說道。 

技術比較：碳纖維零件模具

證明這點後，Mackart 希望增加產能

▲Form Auto 擅長幫助 Mackart 製造數百或數千個小零件，例如這些用於老爺車市場的裝飾夾。 

Mackart 花時間優化其流程，確保為各行各業的客戶提供高質量的設計。他們依靠一套互補的技術並在最合適的情況下利用不同的 3D 列印方法和材料來實現這一目標。 

增加 Form Auto 提高了他們的產能，並為他們的生產週期增加了一個新的、無需人員干預的梯次。從這裡開始，McCarthy 相信隨著需求的增加，他們可以使用自己的 3D 列印機進入新產業，並以同樣的精度和性能進攻新應用，這使他們成為世界上一些頂級 F1 車隊值得信賴的合作夥伴。