3D打印碳纖維增強塑料及復合材料的增材制造與應用分析

郭杰 王玉博 陸軍裝甲兵學院

引言：作為與機器人以及人工智能兩大技術(shù)一起被稱為能夠推動世界第三次工業(yè)革命的重要高科技之一，3D打印技術(shù)一方面能夠使得傳統(tǒng)產(chǎn)品制造途徑不可避免的材料損耗問題得以被克服，另一方面又能夠采用有針對性的智能化生產(chǎn)途徑，來更加有效地滿足用戶的產(chǎn)品需求，打造出更加精準且高端的產(chǎn)品。簡單地來說，3D打印技術(shù)的生產(chǎn)過程是通過逐層增加堆積材料來實現(xiàn)的，通過這一步驟，三維實體的產(chǎn)品得以形成，而3D打印技術(shù)究其本質(zhì)而言，是一種增材制造技術(shù)。在3D打印技術(shù)的三大領(lǐng)域當中，其增強材料技術(shù)是其最重要的基礎(chǔ)生產(chǎn)鏈，其重要性不容小覷。

1. 3D打印技術(shù)與碳纖維增強塑料及復合材料的結(jié)合

碳纖維增強塑料及復合材料與傳統(tǒng)的碳纖維材料相比，不僅在強度和韌性方面具有前所未有的優(yōu)勢，其在抗腐蝕和抗疲勞、高溫等方面也具備著難以比擬的良好性能，除此之外，這一材料還能夠更好地起到導電和導熱的作用，同時在環(huán)保方面也具備著良好的效果[1]。當前，在人們的生活中，高性能的碳纖維復合材料的身影已經(jīng)越來越多見，而其和3D打印技術(shù)這一高科技的結(jié)合，碰撞出的火花更加令許多領(lǐng)域的人才倍感期待。

當前，已有公司發(fā)明了3D打印擠出頭設(shè)計，這一技術(shù)如果和碳纖維增強塑料結(jié)合起來，其打印出來的復雜零部件不僅相較于傳統(tǒng)的產(chǎn)品更加能夠抵抗高溫等惡劣的環(huán)境，還能夠為環(huán)保事業(yè)做出不小的貢獻。與此同時，在國外，3D打印的增材制造技術(shù)已經(jīng)能夠被廣泛應用于碳纖維增強塑料及復合材料當中了，這兩者借助于智能化生產(chǎn)技術(shù)，能夠打造出具有極高的原材料利用率和更低廉的生產(chǎn)成本的產(chǎn)品。因此，不僅航空航天領(lǐng)域廣泛采納這一技術(shù)，其他領(lǐng)域諸如新能源汽車開發(fā)等領(lǐng)域也在著力于探討這一技術(shù)的推廣。

2. 3D打印技術(shù)的碳纖維增強塑料及復合材料

當前，主要有四種類型的碳纖維增強塑料及復合材料可被用于3D打印技術(shù)。第一種是短碳纖維增強改性工程塑料，這類材料不僅成本低廉，同時具有較高的耐用性，其制備過程也不涉及復雜的技術(shù)，因此國外早已將這類增材進行普遍的推廣，而國內(nèi)相比之國外，對此類材料的應用尚處于起步時期。第二種類型的材料是連續(xù)碳纖維增強塑料及復合材料，此類材料也已經(jīng)在國外被成功地開發(fā)和應用。第三類材料是連續(xù)碳纖維增強復合材料，當前，包括美、德、日等在內(nèi)的發(fā)達國家已經(jīng)開發(fā)出能夠?qū)⑦@一材料專門和3D打印技術(shù)結(jié)合起來的設(shè)備，并且逐漸在航空、航天領(lǐng)域推廣這一材料的使用。最后一種材料，是連續(xù)碳纖維增強納米復合材料。這一材料和3D打印技術(shù)結(jié)合起來之后，不僅能夠具備自潤滑的屬性，而且打造出來的產(chǎn)品也具有較高的抗磨損性能，當前，美國在使用這一材料方面所取得的造詣較高。

3. 國外發(fā)展情況

接下來全面介紹國外的3D打印碳纖維發(fā)展情況。

3.1 Arevo Labs公司

這家公司源于美國硅谷，他們主要的業(yè)務是為市場提供能夠用于工業(yè)途徑使用的碳纖維3D打印機。大約三年前，這家企業(yè)自主研發(fā)了一款機械臂3D打印平臺，這一平臺不僅能夠使用高性能的碳纖維材料來進行復雜部件的打印工作，還能夠在很大程度上提高材料的有效使用率，一舉多得。

3.2 Impossible Objects公司

這家公司所開發(fā)出來的專門用于打印復合材料的3D打印技術(shù)，已經(jīng)申請了相關(guān)的專利。這一打印技術(shù)的主要方法，是將事先準備好的復合材料，經(jīng)過層層堆積使他們逐漸成型，接下來，使用打印機內(nèi)部的熱源來對它們進行融合，最后，移除剩下的多余的材料即可。這家公司還曾經(jīng)嘗試過使用包括玻璃纖維等在內(nèi)的具有高強度的復合材料來進行3D打印，結(jié)果顯示其成品的強度要遠遠高于使用熱塑性材料打印出來的產(chǎn)品的強度。因為其主要使用的材料是復合材料，因此用戶如果有特殊的需求，如需要具有較高的耐熱性和耐腐蝕性的產(chǎn)品，則可以在此公司進行專門的定制。除此之外，這家企業(yè)的創(chuàng)始人還認為，3D打印技術(shù)在增添了打印碳纖維的性能之后，才獲得了在更多領(lǐng)域推廣的可能性。而Impossible Objects所研發(fā)的新的打印工藝，避免了采用傳統(tǒng)的塑料部件所帶來的性能上的缺陷，而是使用碳纖維布來提高相應的產(chǎn)品質(zhì)量。

3.3 ElectroImpact

自動纖維鋪放設(shè)備是這家企業(yè)主要提供的3D打印設(shè)備。而這一設(shè)備之所以能夠在打印質(zhì)量的精細度方面做到有效的提升，主要的原因還是其所采用的技術(shù)——超薄碳纖維預浸帶自動鋪放技術(shù)。該設(shè)備主要由兩大部分組成，其中一個部分是一條機械臂，總長度約在六米左右，另一個部分是十六個安裝于其頭部的裝置，同時，其機械臂安放在一條軌道上，軌道長約十二米。如此一來，這一設(shè)備在工作的時候，就能一邊快速地轉(zhuǎn)動，一邊進行打印，如此一來，打印時間和生產(chǎn)的成本就被大大降低了。

3.4 MarkForged

早在三年前，這家企業(yè)就已經(jīng)推出了一款桌面3D打印機，這款打印機所具備的打印復合材料的功能是全球首推的。這款打印機所需采用的材料只有碳纖維以及其他的復合材料，但是它所打印出來的塑料類部件的質(zhì)量卻絲毫不遜于金屬部件。這款機器由兩個主要的打印頭組成，其中一個可以使用尼龍材料進行打印，而另一個可以使用一些具有較高強度的纖維材料，諸如碳纖維和玻璃纖維等材料進行打印。有了這兩個強有力的打印頭聯(lián)合工作，其生產(chǎn)出來的部件甚至在強度上不遜于鋁制品。同時，這款打印機由于操作便捷，又能夠節(jié)省成本，因此為這家公司創(chuàng)造了不菲的收益。

4. 結(jié)束語

當前，國內(nèi)外的3D打印技術(shù)都正在如火如荼地發(fā)展著，而這一技術(shù)作為能夠和人工智能比肩的，即將影響未來產(chǎn)業(yè)和時代發(fā)展的一項重要技術(shù)，其深度開發(fā)的進程必將會給我國各行各業(yè)的發(fā)展帶來不容小覷的影響。因此，我國必須抓緊機遇，跟上國外的步伐，促進這一3D打印技術(shù)在國內(nèi)的應用和普及。