连续纤维注射工艺助力实现大规模批量生产

3D 打印工业化生产的两大限制为材料选择有限及打印尺寸受限。而连续纤维注射工艺（CFIP）可以采用经济实惠的轻质材料进行 3D 打印，为解决上述两大难题提供了切实可行的解决方案。西班牙 Reinforce3D 公司开发的这一工艺通过注射连续纤维大幅提升了 3D 打印零件的强度。倍福灵活的基于 PC 的控制技术极大地简化了这一创新工艺在紧凑型 Delta 机床中生产过程的自动化。

一般来说，增材制造过程可以分为四个核心步骤：设计、三维建模、打印和后处理。无论选择哪种制造技术，最后的后处理步骤都占据着举足轻重的地位，因为它直接关系到打印零件能否达到理想的表面光洁度。此外，后处理阶段还广泛采用了多种先进技术，用于显著提高零件的物理特性和机械性能。CFIP（连续纤维注射工艺）是一种革命性的新型后处理技术，正逐步崭露头角，有望成为增材制造领域内的一个全新里程碑。在初创公司 Reinforce3D 开发的专利工艺中，3D 打印部件通过后续的连续纤维注射工艺进行加固。其优势在于，在提高打印材料的机械性能的同时，能够保持轻质特性。

Reinforce3D 最初是位于西班牙加泰罗尼亚的 Eurecat 技术中心的一个项目。2022 年，投资机构 BeAble Innvierte Kets Fund（BIKF）携手 Eurecat 以及资深开发专家 Marc Crescenti 共同创立了一家新的公司，旨在深入探索并加速 CFIP 技术的研发进程。公司在首席执行官 Blanca Garro 的领导下，短时间内便成功地使其技术逐步走向成熟。2023 年，新任自动化主管 Marc Roselló 带领团队开始研发 Delta 机器，并于同年在法兰克福举行的 Formnext 展会上展出。这家充满活力的年轻企业致力于超越当时被视为“金科玉律”的后处理技术的界限。

从内部增强 3D 打印部件的强度

CFIP 并非像传统 3D 打印技术那样在制造过程中直接强化部件，而是在后处理步骤中，通过特定的工艺改善其性能。具体来说，这种方法是将连续纤维注入零件中预先设计好的管状空腔，从而大幅增强部件的强度。实现这种增强的一个关键点是使用连续纤维而不是短纤维，因为短纤维在提高材料稳定性方面的效果相对较小。除了显著增强部件强度外，连续纤维还能通过在接缝处注入纤维，实现不同部件之间的整体粘接。相较于使用粘合剂等传统连接方法，连续纤维从一端至另一端无缝贯穿的特性，能够生成更为强大且持久的粘合力。纤维以液态树脂为载体，凝固后与 3D 打印材料无缝粘合，形成新的物理界面，从而显著提高部件的结构强度和机械性能。

除碳纤维外，CFIP 还支持玻璃纤维和芳纶纤维类型。此外，Reinforce3D 未来还将进一步将材料范围拓展至天然纤维。这种多功能的增强方法展现出的另一显著优势在于其广泛的兼容性，能够无缝适配多种增材制造技术。因此，用户可以转而采用更适用于批量生产的 3D 打印技术，例如那些在市场上享有盛誉的采用热塑性聚合物的系统。即便选用了这些成本相对较低的材料，用户也能通过后续对轻质材料的强化处理，实现极为出色的效果。除了塑料之外，这项技术还广泛适用于金属和陶瓷等多种增材制造材料。

独特的创新工艺与个性化定制控制解决方案

Reinforce3D 首席技术官 Marc Crescenti 解释道： “CFIP 是一种具有颠覆性的全新技术，正引领着行业的新一轮变革，而 Reinforce3D 则勇敢地踏入这一未知而充满潜力的领域，致力于打造一款集可靠性与高度灵活性于一身，并能够提供无与伦比的用户体验且紧跟 CFIP 技术发展步伐的设备。在全面审视并评估了所有可选的方案后，我们认为倍福所提供的方案最为契合当前应用的需求，是最佳解决方案。”

控制解决方案的硬件核心是一台 CX5140 嵌入式控制器。事实充分证明，这种性能强大、结构紧凑的计算设备非常适合用于那些需要在计算能力和设备体积之间取得平衡的应用场景。Marc Roselló 着重强调了 CX5140 灵活性的重要意义，因为这款嵌入式控制器可以能够轻松实现升级，可以很好地满足未来定期推出的新一代处理器的需求。自动化主管表示，设备设计可以维持不变，这一特性不仅能够为用户带来操作简便性，而且还能显著提升系统的可持续性。

在执行复杂的纤维注射任务时，实现高精度的步进电机控制是关键。为此，我们选用了 EtherCAT 端子模块产品系列中专为紧凑型驱动技术设计的四个 EL7037 单通道运动控制接口端子模块。自动化主管 Marc Roselló 强调道：“相较于外接步进控制器的复杂解决方案，这一选择极大地简化了布线工作，并且便于实现紧凑型控制柜的设计，与 Delta 设备的设计理念不谋而合。”

在纤维注射工艺中，另一个关键环节是精确控制注射力，以有效预防打印材料由于复杂多变的部件结构出现堵料现象。通过将称重传感器连接至 EL3351 模拟量输入端子模块建立反馈机制，以便直接连接电阻桥。这种系统集成式测量技术成功地摒弃了外接放大器的需求，从而简化了系统架构、节省了空间并最大限度地减少了布线工作。此外，Reinforce3D 还选用了各种数字量和模拟量 I/O 模块，将多个工艺阀和隔膜泵无缝集成到树脂供应的控制回路中。

TwinCAT 助力项目高效实施

Marc Roselló 表示，高精度控制解决方案之所以能够成功问世，其背后的强大驱动力不仅源自于性能出色的硬件组件，更离不开倍福的 TwinCAT 软件套件。他高度赞誉了这款自动化软件的用户便利性和功能强大性，尤其是在与 EtherCAT 步进电机控制器协同工作时。他还进一步指出，TwinCAT 3 NC PTP 在实现基于软件的点对点运动控制方面的价值与重要性无可估量。Marc Roselló 阐述道：“TwinCAT 的开发界面、软件架构和易用性在我们熟悉期间就给了我们很大支持。界面设计简洁直观，显著减少了开发过程中的工作量，让我们能够将更多精力聚焦于核心技术的实现与优化。”

在强调学习路径的重要性时，他特别指出了倍福所提供的全面且丰富的培训资源以及持续不断的技术支持。倍福公司始终如一地为我们提供优质服务，帮助我们解决项目实施过程中遇到的各种挑战，成为我们成功实施项目的关键所在。