詳解碳纖維在3D打印中的作用

魔猴君  行業(yè)資訊   2119天前

3D打印碳纖維可能是繼金屬之后第二個最受追捧的3D打印技術(shù)。 有賴于3D打印領(lǐng)域的最新發(fā)展，人們終于實(shí)現(xiàn)能夠使用各種難以捉摸的材料進(jìn)行打印的現(xiàn)實(shí)。 然而，并非所有碳纖維3D打印機(jī)都是相同的 - 一些機(jī)器使用微觀短切纖維來增強(qiáng)傳統(tǒng)的熱塑性塑料，而另一些機(jī)器使用鋪設(shè)在熱塑性基體（通常填充有短切纖維）內(nèi)部的連續(xù)纖維來在部件內(nèi)部建造“骨架”。

3D打印技術(shù)的最新發(fā)展使公司能夠使用碳纖維進(jìn)行打印，盡管使用的粘合材料與標(biāo)準(zhǔn)碳纖維工藝不同。樹脂不會熔化，因此不能通過噴頭擠出 - 為了解決這個問題，3D打印機(jī)用易于印刷的熱塑性塑料替代樹脂。雖然這些部件不像樹脂基碳纖維復(fù)合材料那樣耐熱，但它們確實(shí)受益于纖維的強(qiáng)度。 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。短切碳纖維填充熱塑性塑料是通過標(biāo)準(zhǔn)FFF（FDM）打印機(jī)進(jìn)行打印，由熱塑性塑料（PLA，丙烯腈-丁二烯或聚酰胺（尼龍））組成，這種熱塑性塑料由微小的短切原絲進(jìn)行增強(qiáng)，即碳纖維。 另一方面，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)FFF（FDM）熱塑性基材中。 短切碳纖維填充塑料和連續(xù)纖維制造雖然同樣使用碳纖維，但它們之間的差異十分巨大。 了解每種方法的工作原理及其理想的應(yīng)用將有助于您做出明智的決策，確定在3D打印工作中應(yīng)采取哪些措施。

短切碳纖維基本上是標(biāo)準(zhǔn)熱塑性塑料的增強(qiáng)材料。它允許公司以更高的強(qiáng)度打印一般來說性能較弱的材料。然后將該材料與熱塑性塑料混合，并將所得混合物擠壓成用于熔融長絲制造（FFF）技術(shù)的線軸。對于使用FFF方法的復(fù)合材料，材料由短切纖維（通常是碳纖維）與傳統(tǒng)熱塑性塑料（如聚酰胺（尼龍）、丙烯腈-丁二烯或聚乳酸）混合而成。盡管FFF工藝保持不變，但短切纖維增加了模型的強(qiáng)度、剛度，并改善了尺寸穩(wěn)定性，表面光潔度和精度。 這種方法并非始終沒有缺陷。 一些短切纖維增強(qiáng)細(xì)絲通過用纖維對材料調(diào)節(jié)過飽和度來強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度。 這會對工件的整體質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，從而降低表面質(zhì)量和部件精度。原型和最終使用的部件可以使用短切碳纖維制造，因?yàn)樗峁┝藘?nèi)部測試或面向客戶的部件所需的強(qiáng)度和外觀。

連續(xù)碳纖維是真正的優(yōu)勢所在。 這是一種經(jīng)濟(jì)有效的解決方案，可以用3D打印復(fù)合材料部件替代傳統(tǒng)的金屬部件，因?yàn)樗鼉H使用重量的一小部分就能實(shí)現(xiàn)類似的強(qiáng)度。 它可以使用連續(xù)長絲制造（CFF）技術(shù)把材料鑲嵌在熱塑性塑料中。 使用這種方法的打印機(jī)在打印時通過FFF擠出的熱塑性塑料內(nèi)的第二個印刷噴頭鋪設(shè)連續(xù)的高強(qiáng)度纖維（例如碳纖維，玻璃纖維或Kevlar）。 增強(qiáng)纖維構(gòu)成印刷部件的“主干”，產(chǎn)生堅(jiān)固，結(jié)實(shí)和耐用的效果。 連續(xù)碳纖維不僅增加了強(qiáng)度，并且還提供給用戶在需要更高耐久性的領(lǐng)域中有選擇性地進(jìn)行加固。 由于關(guān)鍵流程的FFF性質(zhì)，您可以選擇逐層基礎(chǔ)來強(qiáng)化。 在每層中，有兩種增強(qiáng)方法：同心軸加固和各向同性加固。 同心填充加強(qiáng)了每層（內(nèi)部和外部）的外邊界，并通過用戶定義的循環(huán)數(shù)延伸到部件中。 各向同性填充在每層上形成單向復(fù)合增強(qiáng)，并且可以通過改變層上的增強(qiáng)方向來模擬碳纖維編織。 這些強(qiáng)化策略使航空航天，汽車和制造等行業(yè)能夠以新的方式將復(fù)合材料集成到其工作流程中。打印部件可以作為工具和固定裝置（這些都要求連續(xù)的碳纖維可以有效地模擬金屬性能。），如手臂末端的工具，軟顎，和CMM固定物。 當(dāng)今，3D打印領(lǐng)域已經(jīng)呈爆發(fā)式成長，一些打印機(jī)提供了碳纖維打印的能力。但是，您最好注意一下您所購買的復(fù)合材料以及每一種纖維已經(jīng)開放的應(yīng)用。除非它指明它是連續(xù)的碳纖維，否則這種材料幾乎肯定是由切碎的碳纖維增強(qiáng)長絲組成的。雖然兩者都提供獨(dú)立的價值，但能夠同時打印兩者是滿足您所有應(yīng)用需求的最好方式。