复合材料3D打印技术的应用之碳纤维篇

3D打印中最广泛使用的碳纤维形式是短切碳纤维丝。有多种短切碳纤维混合物可供选择，3DXTECH提供了一些最多样化的类型，其中包括高温热塑性塑料作为基质材料。例如填充有短切碳纤维的PA，PEKK，PEEK和PEI（ULTEM）细丝。

在短切碳纤维长丝中，碳纤维段与热塑性粒料混合，然后挤出成适合挤出3D打印的长丝。因为碳纤维是断裂的，而不是连续的，因此它只能在那些很小的碎片所在的位置提供碳纤维的刚度。

然而，将碳纤维引入热塑性长丝中可以改善其强度和刚度，但是也可能具有负面影响。一组研究人员发现，除了所需的强度外，PEEK-碳纤维复合材料的孔隙率更高，印刷层之间的粘合性更差。另一组发现用于立体光刻的树脂短切碳纤维具有相似的结果，包括增加了脆性。

这并不意味着切碎的碳纤维长丝（或树脂）在3D打印中没有价值，特别是因为相比之下它要便宜得多。2014年，Markforged向世界推出了连续长丝制造（CFF）。在CFF中，碳纤维预先浸渍有热塑性尼龙，该热塑性尼龙是从特种挤出机中沉积的。然后用于增强塑料零件，包括短切碳纤维长丝Onyx。

最近，一家名为Anisoprint的俄罗斯公司已将自己的连续碳纤维印刷版本称为复合纤维共挤出（CFC），进行了商业化。与CFF不同，其预浸料具有一个输入和一个输出，CFC使用两个输入和一个输出。一个输入专用于增强纤维，另一个输入用于热塑性塑料。干纤维被送入系统中，并在其中浸入液态的热固性树脂。在印刷过程中，热固性材料与传统的热塑性长丝固化并一起挤出。然后，渗透到增强纤维中的热固性基体与长丝粘合。

结果，不仅很少有机会在预浸料中引入气泡或空隙，而且还开拓了CFC可以使用的多种热塑性塑料（到目前为止，PETG，ABS，PC，PLA和PA） 。还可以在CFC中控制沉积速率，以生成有趣的结构和特性，这些特性和特性是传统复合材料制造所无法实现的，例如晶格形状。在传统情况下，将一根碳丝束穿过另一束碳丝束时，该区域的厚度将增加一倍。使用CFC，可以减少挤出的热塑性塑料，同时仍然沉积碳纤维，从而减少该区域的塑料量。

反过来，这增加了所谓的“纤维体积比”，相对于复合材料的总体积而言，存在的纤维增强量。较高的纤维体积比通常意味着改善的机械性能。因此，由于这些碳纤维以3D打印的晶格结构纵横交错，因此纤维体积比和强度均增加。在航空航天领域，工程师寻求的纤维体积比率最高为60％左右。但是，使用其他碳纤维3D打印技术时，该比率接近30％至40％。没有晶格结构，CFC可以达到约45％，在碳纤维重叠的点上，该比率增加了一倍，即比传统复合材料更强。

在编织碳纤维中，多层单向纤维交错交错以模拟各向同性，最终以牺牲多余材料为代价提供全向强度。但是，使用CFC时，仅在必要时可以增加材料和强度。因此，Anisoprint强调碳纤维的各向异性是一种优点，而不是一种弱点，这项目技术被命名为“ Anisoprint”。自Markforged和Anisoprint进入市场以来，第三个挑战者以其自己的连续碳纤维印花形式出现了。在Formnext 2019召开之前，Desktop Metal推出了一项称为微自动光纤替换（μAFP）的技术。 μAFP依靠两个打印头：一个放置热塑性长丝，然后将一个换刀器交换到另一个，放下预浸料带，类似于第一部分中简要提到的自动纤维放置技术。

首先将碳纤维热塑性塑料带加热到高于塑料的熔融温度。然后，辊将胶带压在打印的部分上。热量，压力以及冷却后的印刷零件的结合使胶带可以使零件熔融。Desktop Metal正在通过Fiber HT和Fiber LT 3D打印机发布该技术。 LT的年度订购价为3,495美元，可打印PA6-碳纤维或PA6-玻璃纤维带。 HT（每年5,495美元）不仅可以使用这些胶带进行打印，还可以与碳纤维或玻璃纤维结合使用的PEEK或PEKK。 HT也有两个打印头，而LT只有一个。此外，Fiber HT还具有使用其软件中的高级设置来管理纤维方向的能力，可以实现小于1％的孔隙率，并且可以以高达60％的纤维体积比进行打印。

同样在Formnext上，Anisoprint推出了其生产规模的CFC系统，即Anisoprint ProM IS500。该系统具有600 mm x 420 mm x 300 mm的构建体积，该系统具有可打印PEEK和PEI的加热构建室，并且可以进行自动化校准和其他生产质量功能。借助四个可互换的打印头，除碳纤维外，它还将能够结合不同的复合材料。该系统还将配备用于优化晶格结构印刷的软件。 Anisoprint的目标是在2020年底交付其首批ProM IS 500系统。虽然这是俄罗斯公司的第一台生产级碳纤维3D打印机，但它可能面临激烈的竞争，因为还有许多其他公司正在以独特的方式从事碳纤维3D打印的领域的研究。

（中关村在线）

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。