復合材料3D打印技術(shù)的發(fā)展和應用

南極熊導讀：復合材料3D打印是一種新興的增材制造技術(shù)，適用于各個行業(yè)的應用。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，廣泛適用于多種應用。凱夫拉是一種耐用的纖維，具有高強度和耐熱性，適用于制造承受振動和耐磨性的部件。

復合材料3D打印的核心是復合材料本身，它由至少兩種成分制成，具有特殊的性能，適用于各個行業(yè)的3D打印應用。近年來，復合材料3D打印技術(shù)越來越受歡迎。許多公司開始使用這項技術(shù)，如Impossible Objects等公司。預計到2030年，復合材料3D打印市場將達到17.3億美元（約為126億人民幣）。

△3D打印復合材料

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

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

碳纖維增強材料

如前所述，碳纖維增強材料通常用于復合材料的增材制造。碳纖維由化學家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。它以其卓越的強度重量比（是鋁的兩倍）而聞名，對于制造輕量化且堅固的終端部件具有重要價值。此外，注入碳纖維的材料具有高剛度、強大的拉伸強度和有效的耐化學性。

然而，在使用3D打印技術(shù)時，使用碳纖維需要特殊的考慮。例如，使用硬化鋼打印噴嘴對于確保高質(zhì)量零件的生產(chǎn)至關(guān)重要。類似的準則也適用于與碳纖維增強材料結(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、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)造新穎的應用。航空航天、汽車和建筑等行業(yè)都從碳纖維基復合材料中受益，利用其獨特的性能。

△Moi復合材料公司推出的MAMBO船

玻璃纖維增強復合材料

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材料。當與適當?shù)幕慕Y(jié)合時，它可以制造出比ABS強度高十倍的零件。與碳纖維復合材料相比，玻璃纖維復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合材料備受青睞。玻璃纖維具有出色的機械性能，可作為有效的電絕緣體，并具有低導熱性。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險。與碳纖維類似，玻璃纖維增強長絲具有磨損性，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

實踐證明，玻璃纖維增強的3D打印長絲，對于需要強大的機械性能和熱彈性的工程原型和最終應用零件非常有價值。從建筑到海洋和體育應用，這種復合材料已經(jīng)得到廣泛認可。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。

△凱夫拉復合材料的3D打印

凱夫拉增強材料

Kevlar是杜邦公司擁有的商標，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獲得的，聚合反應是連接長鏈分子的過程。Kevlar纖維被精心排列成平行行，這歸因于其堅固的特性。與其他纖維類似，Kevlar纖維經(jīng)常與多種塑料結(jié)合用于復合材料的制造。Kevlar纖維在拉伸強度和疲勞強度方面表現(xiàn)出值得稱贊的機械特性，主要用于制造承受強烈振動和需要耐磨性的部件。值得注意的是，它的強度重量比是鋼的五倍，并且具有高達400°C的卓越耐熱性。

△2020年推出的3D打印自動充電電動汽車

Kevlar還擁有低密度、多功能應用和均勻分子結(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用中具有價值。一個引人注目的例子是美國的Aptera Motors使用這種復合材料3D打印汽車部件，突顯了增強材料在當代制造業(yè)中的潛力。