碳纤维3D打印技术可以做任何事情?

这家公司认为它的碳纤维3D打印技术可以做任何事情。

碳纤维复合材料以其重量而言非常坚固，这就是为什么它们是最新飞机设计的关键所在。然而，它们只有一个方向的强度，所以它们通常是分层的或编织成网格模式，然后再被塑造成结构。这意味着一组纤维在某些时候承载负荷，而另一组纤维在其他时候承载负荷，这不是材料最有效的使用方式。

2014年，Hemant Bheda担任Quantum Polymers的首席执行官，Quantum Polymers是一家为机械加工零件制造挤压塑料棒、板材和其他形状的公司。该公司在一些材料中使用了切碎的碳纤维，但一位潜在客户要求使用一种材料，这种材料需要将连续的碳纤维嵌入到一种聚合物材料中，这种聚合物材料的铺设路径非常仔细，这将使材料具有超高的机械性能。

“我说过我们做不到，”Bheda回忆说，但他也一直在考虑这个要求。正如他所说的，作为一个专注于软件，特别是图像压缩和视频的电子工程师，他一直在想问题是不是软件问题，而不是硬件问题。

然后，他说，他看到一篇关于3D打印的论文。他想，“为什么我们不能提出一个三维空间中纤维最佳方向的算法，只在你需要的方向上使用纤维呢？”

Bheda与Wiener Mondesire联合成立了一家公司来探索这种可能性。他们将公司命名为Arevo，意为“制造业革命”。

在一家飞机公司的支持下，他们花了两年时间试图建立一个3D打印系统和软件，以生产符合航空航天要求的零部件。该系统是基于传统的熔敷式3D打印机，这是人们在家使用的类型。用于熔化由聚合物和连续碳纤维组成的复合材料的导电加热过程缓慢。而且它不符合航空航天工业的机械和质量要求，Bheda说。“我们知道我们需要转移到一个基于激光的系统（它可以使我们更快、更无接触的热传递），而不会磨损纤维。”

然而，这需要更多的时间、更多的人和更多的钱。2016年底，Bheda和Mondesire就这一概念向风险投资家Vinod Khosla进行了演讲。“他很快就给了回应，”Bheda说，甚至Bill Gates，Khosla他们一同见了Arevo的团队。他们“立即理解了这种可能性，我们的方法与目前的纤维堆积方式大不相同，它将优化我们使用纤维的方式，从而减少所需的材料”，Bheda说。

Khosla风险投资公司向该公司投入了700万美元。在从包括空客在内的投资者那里筹集到更多资金后，Arevo的融资总额现在达到3400万美元。公司现有员工35人，工程团队25人，其中工程师或科学家14人拥有博士学位。

Arevo公司的目标一直是使其生产过程运作良好，足以生产飞机零部件。这仍然在议事日程上。但和许多硅谷的初创企业一样，Arevo并不反对在这条路上做一个小小的转变。

2018年3月，团队开始为公司的A系列投资者计划演示。他们有一个软件，该软件利用特定零件上的应力方向计算，来确定碳纤维长丝的最佳布局，并建立了一个基于激光的3D打印机原型。当工程师们头脑风暴着生产什么的可能性时，Bheda回忆道，“有人说，‘我们为什么不打印一辆自行车呢？’“

为什么不呢？但他们需要一个自行车设计。他们从经验丰富的自行车设计公司Studiowest那里得到了，Bheda说，那里的设计师“对这项技术如何推动设计的极限感到兴奋”。

打印自行车框架将大大简化其结构。传统的自行车车架包含许多必须手工装配的零件，这是一个复杂的过程，有很大的误差空间。

Bheda说，Studiowest的设计师“向我们发送了一个设计，为我们提供了包括负载在内的设计要求，我们通过我们的软件运行它”。“软件告诉我们如何调整纤维的方向。然后我们打印了自行车，并把它送到当地的一家自行车商店，“以增加诸如车轮、踏板和刹车等部件，”他说。

“然后我们都骑着它，”Bheda说。“它起作用了，感觉像一辆自行车，但看起来没什么大不了的。”

然后，设计师们过来骑自行车。“他们非常惊讶这辆车是按照他们的规定行驶的，”Bheda说。“我们想知道为什么他们会感到惊讶；他们解释说，他们通常会经历多次设计、骑乘、做出一些改变、再次骑乘。这通常需要很长时间，长达18个月，但从他们发送设计后不到14天，我们就拥有了自行车。”

自行车设计师敦促Arevo向大型商业自行车公司的CEO展示该产品。他们是在2018年4月在Monterey的Sea Otter Classic举行的北美最大自行车消费展上这样做的。

“我们遇到的CEO们很好奇，但很怀疑，”Bheda说。“他们认为这太好了，不可能是真的。”但这次展览，加上一些个人关系的帮助，使Arevo成为了电动自行车的初创企业Emery。今年4月，Arevolution又回到了Sea Otter秀，观看了Emery电动自行车3D打印碳纤维复合框架的介绍。

Photo: Tekla S. PerryHemant Bheda of Arevo poses with one of the first carbon composite bike frames printed by his company.

自展会以来，Emery公司一直在接受Emery One电动自行车的订单，并将于本季度开始向客户发货。当我（作者）6月份访问Arevo时，公司的五台打印机中有两台安装了自行车框架；公司预计在几周内就能全部安装五台自行车框架，这将使公司每周能够制造10个自行车框架。然后，该公司预计将提高生产速度，直到每周生产达到75个。

该系统看起来像是一种以聚乳酸线圈为原料的台式打印机，但有一些显著的区别。Arevo的版本要大得多，它的核心是一个工业机器人手臂。还有一个额外的步骤，在优雅的编舞奠定了材料线切割，因为碳纤维在复合材料不只是整齐地断裂时，打印头停止加热和拉走。最后是打印机床，而不是平板平台，它是一个三维结构，由塑料打印而成，允许碳纤维以一定角度覆盖，而不是要求这些角度由多层构成。这是确保纤维方向正确的一个重要部分。

新的自行车设计，进一步利用三维打印是在画板上。Arevo已经在与另一家尚未宣布的自行车制造商合作，他们的设计完全不同，只有一个前叉用于前轮和其他不寻常的功能。在可预见的未来，Arevo将从事自行车制造业务，因为至少目前为止，该计划不是向他人出售打印机，而是将其软件和打印能力作为一项服务进行市场营销，使任何产品的生产都保持在内部。它还拥有一个实验室，在实验室里，当碳纤维复合材料从供应商处进入时，它会经常检查样品，然后从打印机中出来，从而避免所谓的“空隙”，即材料层之间形成间隙的区域。

“这项技术是新的，”Bheda说，“所以我们不想失去与最终客户的联系；如果我们不自己制造零部件，我们就不会了解问题，也不会提高技术水平。”

最终，Bheda说，在自行车业务证明了其技术之后，公司将回到那些飞机部件上。Arevo还将风能和建筑业视为潜在的未来市场。

还有飞行汽车。这不是开玩笑的。Bheda说，飞行汽车市场可能是Arevo的最佳选择。“它们将以比飞机更大的体积制造，目前飞机所用的制造技术不会扩大到这一规模，它们希望使用热塑性塑料。我们的技术至少比其他热塑性塑料技术领先三年，因此我们将做好准备。”