终极指南：3D打印复合材料的定义、分类、工艺及应用

2023-08-22 04:53:06 来源：哔哩哔哩小 中

导读：随着航空航天、汽车工业、医疗器械、电子行业等领域的高速发展，传统的材料已经无法满足当前市场需求，这就催生了复合材料的产生。而将3D打印技术应用于复合材料的制造也越来越受欢迎。根据IDTechEx报告称，到2030年，复合材料3D打印市场规模将达到亿美元。

通过连续碳纤维3D打印的样品，图片来自：Anisoprint

复合材料是由两种或两种以上不同材料结合而成的产物。其中一种材料作为基体，用于将结构固定在一起，而另一种材料作为增强体，则为产品提供额外的性能。其中，碳钎维、玻璃纤维等纤维材料是最常用的增强材料，而热塑性（如ABS或PLA）等材料则常被用作基体材料。相较于传统的制造复合材料的开模、封模和铸造等工艺，3D打印在很大程度上简化了制造过程，减少了人工操作，同时也提高了产品的稳定性。

(相关资料图)

连续碳纤维3D打印工作中，图片来自：Markforged

在材料工程领域，当我们谈论复合材料时，通常指的是加入增强纤维的复合材料。在3D打印领域，有三种最常用的纤维材料，分别是碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉尔纤维。这些复合纤维能够提升传统3D打印零件的强度、刚度、耐热性和耐久性，大大拓展了3D打印的应用领域。接下来，我们将逐一介绍这三种最常见的纤维材料。碳纤维复合材料：碳纤维是一种由相互连接的碳原子构成的材料，形成排列成股的晶体结构，能在张力下提供出色的稳定性。因其卓越的强度重量比（为铝的两倍），碳纤维被誉为“新材料之王”，在力学性能和化学稳定性方面表现出色，适用于制造轻巧坚固的零件。传统上，使用热固性树脂作为粘合剂，将这些纤维固定成所需的形状，并在基质材料周围固化。在3D打印中，有两种不同的形式：

短纤维被添加到线材中，图片来自：Markforged

1，短切纤维：将碳纤维切成小于一毫米的细片，混入传统的热塑性塑料中进行打印。短纤维融入整个基体并能增强部件，这种材料适用于大多数3D打印机。其中，碳纤维的数量和切碎段的长度会影响零件的强度和质量。

连续纤维增强复合线材，图片来自：Anisoprint

2，连续纤维：在打印过程中将连续的碳纤维增强束放置在需要加固的地方。连续纤维制造需要两个不同的喷嘴，首先将连续纤维涂覆在固化剂中，然后放入通过辅助打印喷嘴挤出的热塑性基质中。最终纤维形成3D打印部件的主干，而热塑性塑料则起到表皮的作用。

不同类型的连续纤维增强填充，照片来自：Anisoprint

在添加碳纤维后，诸如PLA、PETG、尼龙、ABS或聚碳酸酯等各种基质可以变得更加强大轻巧。然而，添加量会受纤维使用方式和种类的影响。一般而言，连续碳纤维3D打印相对于短切碳纤维更强，因为连续性有助于分散施加的负荷。典型应用

2018年10月，波音公司为777X客机制作了一个大型的3D打印碳纤维增强复合材料部件，长达米。其原料为添加了20%碳纤维的ABS塑料，采用大型增材制造设备及垂直层打印（VLP）技术进行制作，展示了3D打印在航空航天领域的应用。

在最近的案例中，欧洲第一、世界第四的农机制造商CLAAS通过Markforged的连续纤维复合3D打印技术制造了用于吊起17吨重大型机车的吊环，显示出连续纤维在工业领域中的潜力。玻璃纤维复合材料玻璃纤维材料于1930年问世，是一种坚固且成本效益高的增强材料。在适当的基材上使用时，它可以制造出比ABS强度高十倍的零件。与碳纤维复合材料相比，玻璃纤维复合材料具有较低的刚性和脆性。此外，玻璃纤维还具备出色的机械性能，作为电绝缘体非常有效，且导热性较低。这种材料有多种颜色可选，并且具有较低的收缩率，可以最大程度地减少零件翘曲的风险。事实证明，玻璃纤维增强的3D打印线材对于需要强大的机械性能和耐热性的工程原型和最终产品零件非常有价值。典型应用

在2020年10月，Moi Composites通过玻璃纤维3D打印制造了一艘名为MAMBO的船，长米，宽米，重约800公斤。这是世界上首艘使用连续玻璃纤维热固性材料3D打印的真实船只。制造过程采用了专利的连续纤维制造（CFM）技术，机器人根据3D模型逐层沉积热固性树脂浸渍的连续纤维，展示了连续纤维在船舶制造中的潜力。凯夫拉尔纤维凯夫拉尔，也被称为Kevlar或芳纶，于1971年由杜邦DuPont首次推出，由Stephanie Kwolek首创。它属于芳纶纤维类别，是一种极其耐用的材料，通常与多种塑料结合以制造复合材料。凯夫拉尔纤维在拉伸强度和疲劳强度方面表现出色，主要用于制造需要承受强烈振动和耐磨性的部件。凯夫拉尔的强度重量比达到了钢的五倍，并且具有出色的耐热性，高达400°C。此外，凯夫拉尔还具有低密度、多功能应用和均匀分子结构等特性，有助于制造3D打印的高质量零件。典型应用

一个引人注目的例子是美国的Aptera Motors使用这种复合材料3D打印汽车部件，凸显了增强材料在汽车制造业中的巨大潜力。目前，在3D打印连续碳纤维市场中，主要的参与者包括美国的Markforged、俄罗斯的Anisoprint。Markforged将其称为连续长丝制造(CFF)，而Anisoprint将其称为复合纤维共挤(CFC)。此外，苏州同异三维也在去年正式将其国产连续碳纤维3D打印机进行了商业化，填补了该领域的技术空白。

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