復(fù)合材料3D打印正在逐漸走向商業(yè)化應(yīng)用

經(jīng)過多年來的發(fā)展，增材制造技術(shù)正在對(duì)諸多行業(yè)產(chǎn)生深刻影響，并且有可能發(fā)展成為“第四次工業(yè)革命”。以熔融沉積（FDＭ）工藝為基礎(chǔ)使用高分子材料的3D打印技術(shù)已經(jīng)廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，展現(xiàn)出了巨大的潛力。不需要模具、可以成型復(fù)雜形狀、成型周期短等特點(diǎn)都是其他傳統(tǒng)工藝無法比擬的。

復(fù)合材料3D打印工藝的主要優(yōu)勢(shì)在于成本低，周期短，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)建的快速制造。目前在航空航天、汽車和防衛(wèi)等部門都在實(shí)施這種技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)靈活開發(fā)、不同批量生產(chǎn)和按需交付。

例如，一家希臘的機(jī)械加工商為汽車制造了一批3D打印的碳纖維復(fù)合材料連接桿。

在基礎(chǔ)3D打印熱塑性材料加入纖維，以碳纖維為例，目前有兩種碳纖維打印方法：短切碳纖維填充熱塑性塑料和連續(xù)碳纖維增強(qiáng)材料。其中，切碎的碳纖維填充熱塑性塑料是通過標(biāo)準(zhǔn)熔融沉積（FDM）或SLS打印機(jī)進(jìn)行打印的，其主要組成材料是熱塑性塑料（PLA，ABS或尼龍）與細(xì)小的短切碳纖維。

對(duì)于短碳纖維增強(qiáng)高分子，理論上纖維長度為0.2至0.4mm，目前FDM和SLS打印的纖維長度在5至10μm。短碳纖維的加入，可以明顯提高部件的力學(xué)強(qiáng)度，尤其是拉伸和彎曲強(qiáng)度及模量；同時(shí)也提高了部件的尺寸穩(wěn)定性、以及表面光潔度和精度。但是，一些短纖維增強(qiáng)纖維通過使材料過度飽和來提高強(qiáng)度。這不僅損害了零件的整體質(zhì)量，而且還降低了表面質(zhì)量和零件精度。

連續(xù)碳纖維制造是一種獨(dú)特的打印工藝，其將連續(xù)的碳纖維束鋪設(shè)到標(biāo)準(zhǔn)FDM熱塑性基材中。連續(xù)碳纖維才是真正的增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度的關(guān)鍵。利用3D打印復(fù)合材料部件替代傳統(tǒng)的金屬部件，其優(yōu)勢(shì)在于可以在重量的一小部分上實(shí)現(xiàn)類似的強(qiáng)度，所以從效益上來講，這是一種經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。

高性能連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印技術(shù)是以連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性高分子材料，實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)合材料零件直接3D打印，采用連續(xù)纖維與熱塑性高分子材料為原材料，利用同步復(fù)合浸漬－熔融沉積的3D打印工藝實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料制備與成形的一體化制造。使用這種方法的打印機(jī)在打印時(shí)，通過FFF擠出的熱塑性塑料內(nèi)的第二個(gè)打印噴嘴鋪設(shè)連續(xù)的高強(qiáng)度纖維（例如碳纖維，玻璃纖維或凱夫拉）。從而使得增強(qiáng)纖維形成印刷零件的“主干”，產(chǎn)生堅(jiān)硬、堅(jiān)固和耐用的效果。

目前市場(chǎng)上已開發(fā)出多款連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印機(jī)，并建立了3D打印復(fù)合材料體系（碳纖維、芳綸纖維增強(qiáng)聚乳酸、尼龍、聚酰亞胺等）。所制備的碳纖維增強(qiáng)PA復(fù)合材料纖維體積含量達(dá)到42%時(shí)，抗彎強(qiáng)度達(dá)到560MPa，抗彎模量達(dá)到62GPa，是傳統(tǒng)PLA零件的9倍左右。

目前3D打印機(jī)的類型和打印技術(shù)也開發(fā)出很多種，除了熔融沉積（FDＭ）工藝，也稱為FFF（熔融線材制造）之外，還有其他類型。其中包括：CFF（連續(xù)線材制造）；ADAM（原子擴(kuò)散增材制造）；SLS/SLM（選擇性激光燒結(jié)/選擇性激光熔化）；DLP（直接光處理）；SLA（光固化立體造型）和粘結(jié)劑噴射等。

當(dāng)今，增材制造領(lǐng)域已經(jīng)呈爆發(fā)式發(fā)展，傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而增材制造技術(shù)則可以以更快、更靈活以及更低成本的辦法進(jìn)行生產(chǎn)。而且，隨著技術(shù)的發(fā)展，3D打印正逐漸走向量產(chǎn)化。

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