復(fù)合材料3D打印技術(shù)的應(yīng)用之碳纖維篇

（文章來源：中關(guān)村在線）

3D打印中最廣泛使用的碳纖維形式是短切碳纖維絲。有多種短切碳纖維混合物可供選擇，3DXTECH提供了一些最多樣化的類型，其中包括高溫熱塑性塑料作為基質(zhì)材料。例如填充有短切碳纖維的PA，PEKK，PEEK和PEI（ULTEM）細絲。

在短切碳纖維長絲中，碳纖維段與熱塑性粒料混合，然后擠出成適合擠出3D打印的長絲。因為碳纖維是斷裂的，而不是連續(xù)的，因此它只能在那些很小的碎片所在的位置提供碳纖維的剛度。

然而，將碳纖維引入熱塑性長絲中可以改善其強度和剛度，但是也可能具有負面影響。一組研究人員發(fā)現(xiàn)，除了所需的強度外，PEEK-碳纖維復(fù)合材料的孔隙率更高，印刷層之間的粘合性更差。另一組發(fā)現(xiàn)用于立體光刻的樹脂短切碳纖維具有相似的結(jié)果，包括增加了脆性。

這并不意味著切碎的碳纖維長絲（或樹脂）在3D打印中沒有價值，特別是因為相比之下它要便宜得多。2014年，Markforged向世界推出了連續(xù)長絲制造（CFF）。在CFF中，碳纖維預(yù)先浸漬有熱塑性尼龍，該熱塑性尼龍是從特種擠出機中沉積的。然后用于增強塑料零件，包括短切碳纖維長絲Onyx。

最近，一家名為Anisoprint的俄羅斯公司已將自己的連續(xù)碳纖維印刷版本稱為復(fù)合纖維共擠出（CFC），進行了商業(yè)化。與CFF不同，其預(yù)浸料具有一個輸入和一個輸出，CFC使用兩個輸入和一個輸出。一個輸入專用于增強纖維，另一個輸入用于熱塑性塑料。干纖維被送入系統(tǒng)中，并在其中浸入液態(tài)的熱固性樹脂。在印刷過程中，熱固性材料與傳統(tǒng)的熱塑性長絲固化并一起擠出。然后，滲透到增強纖維中的熱固性基體與長絲粘合。

結(jié)果，不僅很少有機會在預(yù)浸料中引入氣泡或空隙，而且還開拓了CFC可以使用的多種熱塑性塑料（到目前為止，PETG，ABS，PC，PLA和PA） 。還可以在CFC中控制沉積速率，以生成有趣的結(jié)構(gòu)和特性，這些特性和特性是傳統(tǒng)復(fù)合材料制造所無法實現(xiàn)的，例如晶格形狀。在傳統(tǒng)情況下，將一根碳絲束穿過另一束碳絲束時，該區(qū)域的厚度將增加一倍。使用CFC，可以減少擠出的熱塑性塑料，同時仍然沉積碳纖維，從而減少該區(qū)域的塑料量。

反過來，這增加了所謂的“纖維體積比”，相對于復(fù)合材料的總體積而言，存在的纖維增強量。較高的纖維體積比通常意味著改善的機械性能。因此，由于這些碳纖維以3D打印的晶格結(jié)構(gòu)縱橫交錯，因此纖維體積比和強度均增加。在航空航天領(lǐng)域，工程師尋求的纖維體積比率最高為60％左右。但是，使用其他碳纖維3D打印技術(shù)時，該比率接近30％至40％。沒有晶格結(jié)構(gòu)，CFC可以達到約45％，在碳纖維重疊的點上，該比率增加了一倍，即比傳統(tǒng)復(fù)合材料更強。

在編織碳纖維中，多層單向纖維交錯交錯以模擬各向同性，最終以犧牲多余材料為代價提供全向強度。但是，使用CFC時，僅在必要時可以增加材料和強度。因此，Anisoprint強調(diào)碳纖維的各向異性是一種優(yōu)點，而不是一種弱點，這項目技術(shù)被命名為“ Anisoprint”。自Markforged和Anisoprint進入市場以來，第三個挑戰(zhàn)者以其自己的連續(xù)碳纖維印花形式出現(xiàn)了。在Formnext 2019召開之前，Desktop Metal推出了一項稱為微自動光纖替換（μAFP）的技術(shù)。 μAFP依靠兩個打印頭：一個放置熱塑性長絲，然后將一個換刀器交換到另一個，放下預(yù)浸料帶，類似于第一部分中簡要提到的自動纖維放置技術(shù)。

首先將碳纖維熱塑性塑料帶加熱到高于塑料的熔融溫度。然后，輥將膠帶壓在打印的部分上。熱量，壓力以及冷卻后的印刷零件的結(jié)合使膠帶可以使零件熔融。Desktop Metal正在通過Fiber HT和Fiber LT 3D打印機發(fā)布該技術(shù)。 LT的年度訂購價為3,495美元，可打印PA6-碳纖維或PA6-玻璃纖維帶。 HT（每年5,495美元）不僅可以使用這些膠帶進行打印，還可以與碳纖維或玻璃纖維結(jié)合使用的PEEK或PEKK。 HT也有兩個打印頭，而LT只有一個。此外，F(xiàn)iber HT還具有使用其軟件中的高級設(shè)置來管理纖維方向的能力，可以實現(xiàn)小于1％的孔隙率，并且可以以高達60％的纖維體積比進行打印。

同樣在Formnext上，Anisoprint推出了其生產(chǎn)規(guī)模的CFC系統(tǒng)，即Anisoprint ProM IS500。該系統(tǒng)具有600 mm x 420 mm x 300 mm的構(gòu)建體積，該系統(tǒng)具有可打印PEEK和PEI的加熱構(gòu)建室，并且可以進行自動化校準和其他生產(chǎn)質(zhì)量功能。借助四個可互換的打印頭，除碳纖維外，它還將能夠結(jié)合不同的復(fù)合材料。該系統(tǒng)還將配備用于優(yōu)化晶格結(jié)構(gòu)印刷的軟件。 Anisoprint的目標是在2020年底交付其首批ProM IS 500系統(tǒng)。雖然這是俄羅斯公司的第一臺生產(chǎn)級碳纖維3D打印機，但它可能面臨激烈的競爭，因為還有許多其他公司正在以獨特的方式從事碳纖維3D打印的領(lǐng)域的研究。
（責任編輯：fqj）