新技術(shù)：碳纖維3D打印（二）
魔猴君 行業(yè)資訊 2147天前
據(jù)魔猴網(wǎng)了解，在我們有關(guān)碳纖維3D打印的系列的第一部分中，我們?yōu)閺V大網(wǎng)友講解了關(guān)于碳纖維3D打印的材料，以能某些特性以及其制造方式在本期，我們就碳纖維目前在3D打印行業(yè)中的使用情況進(jìn)行講述。
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碳纖維長絲
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?zé)崴苄运芰献鳛榛|(zhì)材料。例如，可以購買填充有短切碳纖維的PA，PEKK，PEEK和PEI（ULTEM）細(xì)絲。
FFF用Innofil3D PET碳纖維增強(qiáng)長絲制成的歧管
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?yàn)樘祭w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(qiáng)度和剛度，但是也可能具有負(fù)面影響。一組研究人員發(fā)現(xiàn)，除了所需的強(qiáng)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(jià)值，特別是因?yàn)樗任覀儗⒁懻摰募夹g(shù)便宜得多。但是，我們將在本系列的第三部分中看到如何通過一些非常巧妙的思考來改進(jìn)這些材料。
連續(xù)碳纖維3D打印
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(jī)中沉積的。然后用于增強(qiáng)塑料零件，包括公司自己的短切碳纖維長絲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(jìn)行了商業(yè)化。與CFF不同，其預(yù)浸料具有一個(gè)輸入和一個(gè)輸出，CFC使用兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出。一個(gè)輸入專用于增強(qiáng)纖維，另一個(gè)輸入用于喂入熱塑性塑料。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(qiáng)纖維中的熱固性基體與長絲粘合。
CFC的工作方式
結(jié)果，不僅很少有機(jī)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(shí)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(shí)，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(shí)仍然沉積碳纖維，從而減少該區(qū)域的塑料量。
強(qiáng)度在孔周圍均勻分布，但在第一部分中沒有分布在整個(gè)結(jié)構(gòu)中，在第二部分中，整個(gè)部分以交叉方式加固。
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(qiáng)量。較高的纖維體積比通常意味著改善的機(jī)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(qiáng)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(shí)，該比率接近30％至40％。沒有晶格結(jié)構(gòu)，CFC可以達(dá)到約45％，在碳纖維重疊的點(diǎn)上，該比率增加了一倍，即比傳統(tǒng)復(fù)合材料更強(qiáng)。
由于在一個(gè)方向上的熱塑性沉積最少，該零件的材料更少，但強(qiáng)度更高。
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(jià)提供全向強(qiáng)度。但是，使用CFC時(shí)，僅在必要時(shí)可以增加材料和強(qiáng)度。因此，Anisoprint強(qiáng)調(diào)碳纖維的各向異性是一種優(yōu)點(diǎn)，而不是一種弱點(diǎn)，這項(xiàng)目技術(shù)被命名為“ Anisoprint”。自Markforged和Anisoprint進(jìn)入市場以來，第三個(gè)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(xiàng)稱為微自動光纖替換（μAFP）的技術(shù)。 μAFP依靠兩個(gè)打印頭：一個(gè)放置熱塑性長絲，然后將一個(gè)換刀器交換到另一個(gè)，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(jī)發(fā)布該技術(shù)。 LT的年度訂購價(jià)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(jìn)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(gè)打印頭，而LT只有一個(gè)。此外，Fiber 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(shí)現(xiàn)小于1％的孔隙率，并且可以以高達(dá)60％的纖維體積比進(jìn)行打印。
大幅面和實(shí)驗(yàn)性碳纖維3D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(jìn)行自動化校準(zhǔn)和其他生產(chǎn)質(zhì)量功能。借助四個(gè)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(biāo)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(jī)，但它可能面臨激烈的競爭。還有許多其他公司正在以自己獨(dú)特的方式從事碳纖維3D打印的工作。由于它們與此處討論的類型截然不同，因此我們將在這個(gè)系列的下一章中對其進(jìn)行探討。
