3D打印金屬基復合材料-含碳纖維的液態(tài)金屬

來源：機械工程學報

與減材制造相比，增材制造的獨特優(yōu)勢在于更容易加工金屬，具有生產(chǎn)獨特幾何形狀的部件的額外好處。除了開放處理難于加工的材料（如難熔金屬）之外，增材制造還使金屬基復合材料的加工（MMC）成為可能。一項發(fā)表在《機械工程學報》的研究記錄了一個研究小組為結(jié)合金屬和增強纖維的不同性能而采用的3D打印MMC的方法。

來自陜西省快速制造技術工程研究中心的研究人員將錫鉛與碳纖維結(jié)合起來，一方面探索利用鉛的輻射屏蔽性能，另一方面利用碳纖維強度的可能性。同時，這項研究試圖展示鉛的3D打印能力，以前由于鉛的潤濕性（液態(tài)時無法粘在固體表面）而很難實現(xiàn)。

FTP流程概述。圖片由《機械工程學報》提供。

為了實現(xiàn)這一目標，研究團隊依靠具有更好潤濕性的液態(tài)錫鉛。通過一種被稱為纖維牽引打印（FTP）的工藝，將電鍍有鎳和銅的碳送入擠出機，再將其浸入熔融的錫鉛，并使用類似于Markforged，Anisoprint現(xiàn)有復合3D打印機的材料擠壓工藝進行打印。

研究人員對這項技術進行了多次觀察。例如，由于液態(tài)金屬的表面張力，研究人員無法從理論上計算出如何實現(xiàn)形態(tài)均勻性。但是，該團隊能夠確定打印速度和沉積均勻性之間的實際關系。盡管電鍍程度更高的碳纖維沒有顯示出可觀察到的缺陷，但在液態(tài)金屬和纖維之間的潤濕性也較低，且鍍層較厚。

樣品在（a）1毫米/秒，（b）2毫米/秒，（c）3毫米/秒和（d）4毫米/秒的打印速度和10/100、20/100、30/100、40/100地送絲速度打印試樣的單絲形態(tài)。圖片由《機械工程學報》提供。

研究表明，通過將液態(tài)金屬與碳纖維結(jié)合，不僅可以將液態(tài)金屬模制成所需的形狀，而且還可以改善低熔點合金（如錫鉛）的機械性能。當使用帶有3微米電鍍層的碳纖維時，錫鉛材料的抗拉強度從33.3MPa增加到235.2MPa。隨著電鍍層厚度的增加，纖維體積也增大。

3D打印鉛的功能可能會導致需要輻射屏蔽的獨特部件，如航天器。該團隊認為，F(xiàn)TP流程可以擴展到其他MMC，如碳纖維鋁和碳纖維鎂。

圖片由《機械工程學報》提供

由于金屬基復合材料幾乎總是比它們要替代的傳統(tǒng)材料更貴，因此通常只用于高端應用，如高性能刀具（碳化鎢）、跑車（碳纖維和碳化硅、碳化硼鋁）、電子產(chǎn)品（銅銀和鉆石，鋁石墨），和航空航天（碳化硅纖維和鈦）。同樣，由于規(guī)模的問題，增材制造也經(jīng)常保留給高端的短期應用程序。反過來，隨著打印MMC能力的提高，我們預計這兩個領域可能會有更大的重疊。

到目前為止，許多機構都在進行打印MMC的研究，包括加利福尼亞州立大學，該校的一個團隊正在用陶瓷3D打印鈦合金。AGH大學，將Inconel625和碳化鎢結(jié)合在一起；迪肯大學（DeakinUniversity），將氮化硼和鈦混合在一起。

盡管這類研究自然要花時間才能超越實驗室的界限，但毫無疑問，現(xiàn)有的商業(yè)實體很可能正在研究類似的技術，特別是如果這些企業(yè)已經(jīng)在經(jīng)營纖維復合材料和金屬，就像DesktopMetal和Markforged一樣。