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碳纤维:最好的3D打印材料之一

发布时间:2016-09-12 00:00:00作者:3D科学谷阅读:8730

如果说70亿美金的3D打印行业的确要获得千亿美金的制造市场的一部分份额,3D打印技术就需要在设备工艺与材料两方面发力。这方面Carbon与惠普正在通过他们的工艺来展示这种可能性变成现实。

 

材料领域,材料化学公司从杜邦到伊士曼纷纷投身到3D打印材料的研究中。而根据市场咨询公司IDTechEx,2025年材料市场有望达到83亿美金的市场份额,3D科学谷认为虽然光固化目前占据材料市场的最大市场份额,然而要跟传统制造业竞争,复合材料将是3D打印成为主流技术的背后驱动力之一。

 

而复合材料领域,对于制造业来说最重要的一个领域就是碳纤维增强材料,可以提供与金属相当的强度,又非常轻,碳纤维在需要考虑重量与强度比的行业包括航空航天、汽车领域都有广泛的应用前景。

 

碳纤维最好的3D打印材料之一

 

碳纤维从1970年后就开始进入工业制造领域,应用到汽车、运动品、工程与电子领域。而空客的A350 XWB包括了52%的碳纤维增强(CFRP)部件,波音787 Dreamliner包括了50%的碳纤维增强(CFRP)部件。汽车领域的宝马BMW i3也大量使用碳纤维增强部件。

  

传统工艺制造碳纤维的过程十分复杂并需要大量的人力劳动。3D打印为碳纤维制造带来了新的领域,更方便,并不需要大量的人工。

 

桌面碳纤维打印

 

通过FDM熔融挤出的方式打印碳纤维需要将碳纤维与热熔塑料一起打印。在这方面,荷兰的colorFabb公司的XT-CF20材料里面含有伊士曼化工的 PETG材料以及20%的碳纤维材料。 3DXTECH也是用伊士曼PETG材料结合高模量碳纤维制成复合材料。PETG这种材料,本身就有很好的延展性,而且它能在承受更高的CF负载的同时保持一定的延展性和抗冲击性。它能够很好地粘附在多种构建平台上,同时也具有优异的层粘合,而碳纤维的加入不仅增加了它的刚性和尺寸稳定性。另外一家公司, Proto-pasta的碳纤维增强材料PLA,一种玉米淀粉提取的衍生塑料和碳纤维复合材料。

 

PLA可能是最容易打印的,ABSPETG强度更大,尼龙难以打印,但比起其他材料耐磨性最好。如果要与工业级零件竞争,PEEK应该是理想的选择,PEEK最强,最耐热,化学和抗潮湿性能最好。桌面型打印机方面,Markforged的设备还可以用来制造尼龙碳纤维增强材料。另外一家公司,Orbital Composites也开发出了可以打印复合材料长丝的设备,并且还准备在外太空零重力情况下打印。

 

工业级碳纤维打印

 

来自美国硅谷的Arevo Labs不仅提供碳纤维工业级3D打印机,还提供3D打印的新型碳纤维和碳纳米管(CNT)增强型高性能材料,而且使用其专有的3D打印技术和专用软件算法可以使用市场上现有的长丝融熔3D打印机制造产品级的超强聚合物零部件。

 

Arevo Labs推出了一个可扩展的以机器人为基础的增材制造RAMRobot-Based Additive Manufacturing)设备用来打印复合材料。3D科学谷曾介绍过该平台由一个市售的机械臂,复合沉积端执行器和一个全面的软件套件。

 

目前软件是专门针对ABB IRB 120六轴机器人,但可扩展的软件也可以支持更大的ABB机器人型号和尺寸,根据机器人的大小,打印体积可以从1000立方毫米达到8立方米。

 

Impossible ObjectsCBAM composite-based additive manufacturing method )工艺将强度更高的材料用于3D打印技术,比如碳纤维、芳纶(Kevlar)和玻璃纤维等。打印完成后的零部件要比使用传统热塑性材料3D打印出来的部件强度要高2倍—10倍。 由于其独特的复合材料构成,用户也可以通过定制以用于各种应用,包括热和化学腐蚀等环境。

 

Impossible Objects的工作原理是当CAD文件被切图成独立的位图层,打印机就将热塑性液滴按照位图模型打印到复合材料的基层上,随后基层材料中那些没有被液滴黏住的粉末被吹吸掉,只留下根据位图模型形成的粘结剂与复合材料。

 

比桌面型设备打印速度快10倍,Impossible ObjectsCEO Robert Swartz相信他们的打印速度可以提高到100米每分钟。 目前设备可以打印的尺寸是12 in x 16 in (305 mm x 406 mm)。另外,3D科学谷了解到Impossible Objects的设备还处于测试验证阶段,定于2017年正式上市 。

 

除了Impossible ObjectsCBAM技术, EnvisionTec推出了 SLCOM 1 3D打印机,该打印的核心技术是EnvisionTec拥有专利的SLCOM(selective lamination composite object manufacturing )技术。

 

EnvisionTEC2016年中推出SLCOM1工业级复合材料3D打印机,SLCOM™可以用来加工玻璃纤维织物、碳纤维织物或其他品种的加强型芳纶纤维织物,可选择使用尼龙6、尼龙11、尼龙12、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚碳酸酯和很多其他材料予以增强。适用于航空航天、汽车、消费品、体育用品和医疗领域潜在应用的高品质3D打印零部件的定制化。这些复合材料可度身定制,使其具备非凡的韧性、耐候性、减震性能、不易燃性、高耐磨性和高强度重量比。

 

Electroimpact开发的 AFPAutomated Fiber Placement)超薄碳纤维层铺叠技术,碳纤维打印设备很精细,但价格也非常昂贵,设备有着一个长达 6.4 米(21 英尺)的机械臂,头部有 16 个类似于老式缝纫机上线轱辘的装置,整个手臂被架置在 12 米长的轨道上,可以围绕模型运动进行快速打印,大大节约零部件和原型产品生产时间,降低成本,使用的材料则是兼具坚固和轻质的碳纤维。

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