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【專業講堂】一文簡要了解碳纖維3D打印技術及國外主要制造商
時間:2020年08月07日 來源:本站原創  作者:佚名 瀏覽次數:

長期以來,碳纖維由于具有優異的特性,包括高強度、低重量、高耐化學性、高溫耐受性、低熱膨脹性等,已廣泛應用許多領域。碳纖維的強度比鋼高五倍,而密度卻輕兩倍,這些特性使碳纖維特別適合依賴于材料特性來優化性能的應用,如航空航天、汽車、軍事或土木工程等。

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碳纖維很少單獨使用,它們通常與其他材料結合形成所謂的復合材料,這些復合材料由碳纖維增強基體材料(通常是聚合物)制成,盡管也可以使用非聚合物材料(例如陶瓷)作為基體,但聚合物基復合材料應用最為廣泛。碳纖維對基體增強后主要的好處是材料可以更堅固、更輕,并增加了剛度。

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碳纖維復合材料已廣泛用于結構設計,并可用于制造許多產品,例如自行車車架、飛機機翼、螺旋槳葉片、汽車部件等。由于碳纖維的諸多優勢,因此它的應用也不再局限于傳統制造領域。近年來,越來越多的3D打印公司提供了碳纖維增強材料。那么碳纖維如何用于增材制造中呢?

3D打印應用

IDTechEx在其2020-2030年3D打印復合材料報告中透露,到2030年,全球3D打印復合材料市場價值將達到17億美元。該數據還包括其他增強復合材料如玻璃纖維增強復合材料等。

盡管如此,這種趨勢清楚地表明3D打印行業在其制造活動中越來越多地使用包括碳纖維在內的所有復合材料。在3D打印中,碳纖維基本上有兩種使用方法,第一種是短切碳纖維增強,第二種是連續碳纖維增強。

短切碳纖維

短碳纖維由長度小于一毫米的線段組成,并與稱為基礎材料的熱塑性塑料混合,這些熱塑性塑料包括PLA、PETG、尼龍、ABS聚碳酸酯等。這些纖維非常堅固,它們使熱塑性塑料強度和剛度增加,并且還減輕了其總重量。

由于碳纖維具有高剛度,因此有時候會堵塞3D打印機的噴嘴,因此通過會使用硬化的鋼噴嘴。另外,超過一定的纖維閾值,3D打印的零件將失去表面光潔度。

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一些公司開發了3D打印碳纖維用于更多技術應用,如用作高性能材料(HPP)(例如PEEK或PEKK )作為基礎材料。因此,它們不僅具有HPP的優點如耐用性、優異機械和化學性能,而且還提高了強度/重量比。由于HPP依賴于可達到約400°C的擠出機以及加熱系統,因此需要調整打印參數。該領域的常見制造商包括Roboze、3DXTech、ColorFabb、Markforged、Kimya、Intamsys、Zortrax等。

連續碳纖維增強

為了獲得更堅固的零件,可以使用另一種技術,稱為連續碳纖維增強。由于碳纖維沒有短切,因此保留了更高的強度。實際上,連續碳纖維3D打印的強度足以取代一半重量的鋁。

3D打印機制造商聲稱,在某些應用中它可以代替金屬3D打印——主要優勢是它比金屬便宜。最后,通過根據DfAM技術放置碳纖維,可以增加零件的強度,同時減少材料的使用。

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市場上有一些制造商可提供連續3D打印碳纖維的技術,按照添加碳纖維的時間可以將其分為兩種,即可在3D打印之前或之中添加連續碳纖維。3D打印前添加碳纖維又被稱為基體預浸料,而在擠出過程中添加則被稱為共擠出。在預浸工藝中,碳纖維是通過拉擠成型工藝將碳纖維浸漬了聚合物。


在市場上提供連續纖維3D打印技術與產品的生產商主要包括Markforged、Anisoprint、CEAD等。最近,Desktop Metal也將入了競爭行列,并推出了名為Fiber的新系統,纖維使用微型自動光纖放置。此外,9T Labs也開發了添加劑融合技術(AFT),以較低的成本批量生產碳纖維復合材料。

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擺脫了廣為人知的擠壓工藝,市場上也出現了一種有趣的技術:AREVO基于定向能量沉積技術的專有工藝,該工藝使用激光同時加熱長絲和碳纖維,輥將兩者壓縮在一起。

Impossible Objects和EnvisionTEC還在其機器使用范圍內增加了用于碳纖維3D打印的系統,但是技術有所不同。它們通過使用層壓工藝將碳纖維片編織成印刷品。Continuous Composites則使用一種混合技術,將纖維束用樹脂浸透,然后使用紫外線進行固化,這與SLA 3D打印類似。

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