復(fù)合材料3D打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

南極熊導(dǎo)讀：復(fù)合材料3D打印是一種新興的增材制造技術(shù)，適用于各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用。目前，主要使用的纖維有碳纖維、玻璃纖維和凱夫拉。碳纖維具有卓越的強(qiáng)度重量比和高剛度，適用于航空航天、汽車和建筑等行業(yè)。玻璃纖維成本效益高，廣泛適用于多種應(yīng)用。凱夫拉是一種耐用的纖維，具有高強(qiáng)度和耐熱性，適用于制造承受振動(dòng)和耐磨性的部件。

復(fù)合材料3D打印的核心是復(fù)合材料本身，它由至少兩種成分制成，具有特殊的性能，適用于各個(gè)行業(yè)的3D打印應(yīng)用。近年來，復(fù)合材料3D打印技術(shù)越來越受歡迎。許多公司開始使用這項(xiàng)技術(shù)，如Impossible Objects等公司。預(yù)計(jì)到2030年，復(fù)合材料3D打印市場(chǎng)將達(dá)到17.3億美元（約為126億人民幣）。

△3D打印復(fù)合材料

復(fù)合材料3D打印的發(fā)展如何推動(dòng)了航空航天、汽車、建筑等行業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展？這些材料在3D打印中的應(yīng)用有哪些潛在的挑戰(zhàn)和機(jī)遇？

△目前人們已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模3D打印航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件

碳纖維增強(qiáng)材料

如前所述，碳纖維增強(qiáng)材料通常用于復(fù)合材料的增材制造。碳纖維由化學(xué)家Joseph Swan于1860年發(fā)明，由相互連接的碳原子組成，形成排列成股的晶體結(jié)構(gòu)，具有出色的穩(wěn)定性。它以其卓越的強(qiáng)度重量比（是鋁的兩倍）而聞名，對(duì)于制造輕量化且堅(jiān)固的終端部件具有重要價(jià)值。此外，注入碳纖維的材料具有高剛度、強(qiáng)大的拉伸強(qiáng)度和有效的耐化學(xué)性。

然而，在使用3D打印技術(shù)時(shí)，使用碳纖維需要特殊的考慮。例如，使用硬化鋼打印噴嘴對(duì)于確保高質(zhì)量零件的生產(chǎn)至關(guān)重要。類似的準(zhǔn)則也適用于與碳纖維增強(qiáng)材料結(jié)合的基體材料。添加碳纖維后，PLA、PETG、尼龍、ABS或聚碳酸酯等各種基質(zhì)可以變得更強(qiáng)、更輕。這些纖維不僅可以與熱塑性塑料相協(xié)調(diào)，還可以與陶瓷混合，從而有助于創(chuàng)造新穎的應(yīng)用。航空航天、汽車和建筑等行業(yè)都從碳纖維基復(fù)合材料中受益，利用其獨(dú)特的性能。

△Moi復(fù)合材料公司推出的MAMBO船

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

玻璃纖維材料于1930年問世，可用作多種熱塑性聚合物的增強(qiáng)材料。當(dāng)與適當(dāng)?shù)幕慕Y(jié)合時(shí)，它可以制造出比ABS強(qiáng)度高十倍的零件。與碳纖維復(fù)合材料相比，玻璃纖維復(fù)合材料具有較低的剛性和脆性。這些特性以及成本效益使得玻璃纖維復(fù)合材料備受青睞。玻璃纖維具有出色的機(jī)械性能，可作為有效的電絕緣體，并具有低導(dǎo)熱性。該材料有多種顏色可供選擇，并且具有低收縮率，可最大限度地減少翹曲風(fēng)險(xiǎn)。與碳纖維類似，玻璃纖維增強(qiáng)長(zhǎng)絲具有磨損性，因此需要使用適合這種材料的噴嘴。

△使用玻璃纖維打印的橋梁部件原型

實(shí)踐證明，玻璃纖維增強(qiáng)的3D打印長(zhǎng)絲，對(duì)于需要強(qiáng)大的機(jī)械性能和熱彈性的工程原型和最終應(yīng)用零件非常有價(jià)值。從建筑到海洋和體育應(yīng)用，這種復(fù)合材料已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可。值得一提的例子包括Moi Composites與Autodesk、Catmarine、Micad和Owens Corning合作，使用玻璃纖維3D打印技術(shù)制造了MAMBO船。此外，荷蘭公司MX3D使用這種材料3D打印了一座加固橋梁。

△凱夫拉復(fù)合材料的3D打印

凱夫拉增強(qiáng)材料

Kevlar是杜邦公司擁有的商標(biāo)，于1971年由Stephanie Kwolek首創(chuàng)。它屬于芳綸纖維類別，是最耐用的材料之一。

這種材料是通過聚合反應(yīng)獲得的，聚合反應(yīng)是連接長(zhǎng)鏈分子的過程。Kevlar纖維被精心排列成平行行，這歸因于其堅(jiān)固的特性。與其他纖維類似，Kevlar纖維經(jīng)常與多種塑料結(jié)合用于復(fù)合材料的制造。Kevlar纖維在拉伸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度方面表現(xiàn)出值得稱贊的機(jī)械特性，主要用于制造承受強(qiáng)烈振動(dòng)和需要耐磨性的部件。值得注意的是，它的強(qiáng)度重量比是鋼的五倍，并且具有高達(dá)400°C的卓越耐熱性。

△2020年推出的3D打印自動(dòng)充電電動(dòng)汽車

Kevlar還擁有低密度、多功能應(yīng)用和均勻分子結(jié)構(gòu)等特性，有利于3D打印經(jīng)過特殊拋光的高品質(zhì)零件。許多行業(yè)都采用Kevlar增材制造。值得注意的是，汽車行業(yè)發(fā)現(xiàn)其在制造各種零部件的應(yīng)用中具有價(jià)值。一個(gè)引人注目的例子是美國(guó)的Aptera Motors使用這種復(fù)合材料3D打印汽車部件，突顯了增強(qiáng)材料在當(dāng)代制造業(yè)中的潛力。