復合3D打印相關知識

魔猴君  知識堂   505天前

復合3D打印材料是至少兩種不同材料結合的產(chǎn)物。其中一種材料作為基體，用于將結構固定在一起，另一種材料作為增強元素，提供額外的性能。復合材料的目的是增加基體材料的積極性能，并在必要時中和其消極性能。通過在基體材料中添加相應增強材料的特性，基體材料可獲得更好的機械特性、不同的顏色、耐火性、穩(wěn)定性、承重能力等。復合材料大致可按其材料特性（金屬、礦物、陶瓷、有機）或幾何形狀加以區(qū)分。根據(jù)其幾何特性，可分為：

1、顆粒復合材料

2、纖維復合材料（短纖維、長纖維或連續(xù)纖維）

3、層狀復合材料

4、滲透復合材料

纖維復合材料在材料工程中特別受歡迎，因為它們允許材料在某些方向上得到增強。碳纖維可能是市場上最受歡迎的，其次是玻璃纖維，這也是增材制造中最常用的纖維之一。

復合材料的性能

用于增材制造的增強材料通常是基于尼龍的，但也有ABS、PLA、PC和PETG。目前，3D打印中最常用的復合材料是碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維凱夫拉爾（PPD-T）。這些材料在制造輕質(zhì)但堅固的零件方面具有優(yōu)勢。出于美觀功能，還可以選擇木纖維、陶瓷顆粒和植物纖維與PLA的組合。正如我們提到的，增強材料有多種類型：短纖維、長纖維或連續(xù)纖維。在第一種情況下，由長度小于一毫米的片段形成的短纖維與傳統(tǒng)熱塑性塑料混合，以增加部件的剛性和抵抗力。

然而，大部分性能來自于連續(xù)纖維的增強。連續(xù)纖維復合材料的制造過程不像短纖維那么簡單，因為它們在擠出時必須連續(xù)嵌入熱塑性塑料中。還可以使用設計技術(DfAM)應用纖維，優(yōu)化零件的強度重量比和材料消耗。制造商聲稱連續(xù)纖維增強材料可以使零件像金屬一樣堅固。

采用碳纖維增強材料的3D打印零件，實現(xiàn)了更高的重量比和更低的材料消耗（照片來源：9TLabs）

3D打印中的復合材料

在增材制造中，復合材料主要以長絲的形式存在，這就是它們主要用于FDM打印的原因。然而，用于激光粉末床熔融等工藝的金屬化合物也引起了人們的關注。例如，弗勞恩霍夫研究所正在測試金屬化合物的激光金屬沉積(LMD)。這凸顯了復合材料增材制造的市場趨勢。我們還期望未來看到更多能夠使用復合材料進行打印的技術。

該技術根據(jù)所選復合材料的類型而有所不同。短纖維復合材料可以使用普通的FDM工藝擠出，因為長絲已經(jīng)含有纖維。然而，必須考慮到打印質(zhì)量受到所用纖維數(shù)量的影響。短纖維復合材料均勻地增強了整個部件。然而，超過一定閾值后，3D打印部件的表面質(zhì)量就會下降。另一方面，連續(xù)纖維3D打印是一個更復雜的過程，需要兩個噴嘴同時打印。通常，一個噴嘴擠出熱塑性塑料，另一個噴嘴擠出纖維。以這種方式工作的打印機的一個例子是Mark Two，來自Markforged。該機器將長纖維材料插入到使用FDM工藝制造的零件中。這樣，僅在必要時對部件進行加固。

在左側，您可以看到短纖維，由長度小于1毫米的片段組成。右側，長絲已用這些短纖維加固

（照片來源：Markforged）

在使用復合材料進行FDM 3D打印時，通常需要更大直徑的噴嘴。通常制造商會指定應進行哪些調(diào)整。對于玻璃纖維，噴嘴直徑應設置為至少0.6毫米，對于碳纖維，噴嘴直徑應設置為0.4毫米，對于凱夫拉纖維，噴嘴直徑應從0.6毫米開始，然后逐漸減小至0.4毫米。如果復合材料含有木顆粒，則直徑必須設置在0.6毫米至0.8毫米之間。

另請記住，復合長絲可能會導致打印頭、軟管和擠出機組件磨損加劇。為了避免這種情況，建議使用硬化噴嘴，特別是對于碳、玻璃和凱夫拉纖維長絲。打印時正確定位線軸以優(yōu)化到擠出機的路徑并確保它不會太長也很重要。除了這些注意事項外，由于復合長絲的粘度較高，還必須降低打印速度。盡管如此，復合材料具有冷卻時不收縮的優(yōu)點，因此不太可能產(chǎn)生翹曲等打印錯誤。

AREVO的自行車車架采用連續(xù)長絲3D打印技術制作（照片來源：AREVO）

復合材料的應用

使用增強材料進行打印的能力一直是許多3D打印公司和初創(chuàng)企業(yè)的目標之一。近年來，我們看到越來越多的機器和技術進入市場以實現(xiàn)新的應用，特別是在航空航天和汽車等領域。如前所述，碳纖維是3D打印中使用最廣泛的復合材料之一，特別是對于工作原型、汽車零件和堅固而輕質(zhì)的組件等要求苛刻的應用。因此，碳纖維復合材料在體育領域也越來越受歡迎。。精英運動員正在轉向使用碳纖維來制造更輕、更快的自行車。這些優(yōu)勢也適用于一級方程式賽車、汽車行業(yè)，甚至網(wǎng)球和賽艇等運動。

復合材料市場正在不斷增長，新的材料組合將使新的應用成為可能。工程材料探索了添加劑增強成分的使用。在中國，研究人員研究了在PEEK等高性能熱塑性塑料中添加碳纖維的好處，山特維克于2019年創(chuàng)造了第一種金剛石復合材料。金剛石通常無法用于增材制造，因為它太硬。然而，通過制造金剛石復合材料，該材料的特性可用于許多固體工具（采礦、鉆孔或機械加工）以及醫(yī)療植入物！

山特維克創(chuàng)造的金剛石化合物（照片來源：山特維克）

編譯整理：3dnatives