3D打印復(fù)合材料：10年后全球市場規(guī)模將超5億美元

3D打印作為一種最純粹的數(shù)字制造方式，每年的市場規(guī)模和發(fā)展速度都在成倍數(shù)地增長，它涉及到計(jì)算機(jī)、機(jī)械，其中最重要的影響因素是先進(jìn)的材料科學(xué)，尤其是復(fù)合材料對(duì)增材制造自動(dòng)化影響最大。

SmarTech最新出版的《3D打印復(fù)合材料市場—2017：機(jī)遇分析和十年預(yù)測》對(duì)3D打印復(fù)合材料做了深入和精確的評(píng)估，據(jù)稱，到2026年全球用于3D打印的復(fù)合材料收入將超過5億美元，未來十年內(nèi)復(fù)合材料將成為3D打印最主要的市場機(jī)遇。

▲目前可用于3D打印的復(fù)合材料圖表

3D打印被業(yè)內(nèi)視為一種將生產(chǎn)流程簡化和自動(dòng)化的方法，它保全了纖維復(fù)合材料在重量優(yōu)化和強(qiáng)度方面的優(yōu)勢，對(duì)聚合物3D打印行業(yè)而言，3D打印的復(fù)合材料部件代表了一種更直接指向工業(yè)終端部件生產(chǎn)的途徑，包括用于輕量化飛機(jī)和汽車的大型復(fù)雜幾何部件。

目前，能使用復(fù)合材料的3D打印技術(shù)主要有2種，分別是熔融沉積（FDM）和粉床熔融（PBF），而后者主要指選擇性激光燒結(jié)（SLS）。


擠出成型的復(fù)合材料

復(fù)合材料擠出成型制造方法可以分成幾種不同的應(yīng)用領(lǐng)域，有一些仍處于研究階段，最實(shí)際的FDM應(yīng)用是定制犧牲工具，這就意味著在制造復(fù)雜的復(fù)合部件時(shí)你可以快速3D打印出標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合預(yù)浸材料工具，犧牲工具將零部件制造帶到了一個(gè)新的高度——制造高度復(fù)雜的復(fù)合部件時(shí)而無需再組裝，只需將3D打印的犧牲工具溶解在水中即可，由Stratasys公司生產(chǎn)的ST 130材料在熱壓過程中完全能Hold住復(fù)合部件的形狀，是目前唯一能夠?qū)⑦B續(xù)型纖維復(fù)合材料的機(jī)械性能和3D打印的先進(jìn)幾何形狀結(jié)合在一起的系統(tǒng)。

▲當(dāng)前最有名的復(fù)合材料3D打印機(jī) — 美國MarkeForge公司開發(fā)的Mark系列

▲使用碳纖維、玻璃纖維，以及凱夫拉-尼龍3種復(fù)合材料3D打印的工具

未來，復(fù)合生產(chǎn)將完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。MarkForged是美國的一家3D打印設(shè)備制造商，它研制出了一種材料擠出技術(shù)，能夠?qū)⑦B續(xù)纖維(碳、玻璃或凱夫拉爾)置于3D打印熱聚合物部件(主要是尼龍)的打印層之間，也是目前唯一可以將連續(xù)纖維復(fù)合材料進(jìn)行3D打印的商業(yè)化技術(shù)。

其它廠商和研究機(jī)構(gòu) — 主要包括米蘭理工大學(xué)Più實(shí)驗(yàn)室，正在研發(fā)使用一種六軸機(jī)械手臂的技術(shù)，在熱凝物或光敏樹脂的參與下能夠擠出連續(xù)纖維復(fù)合材料。不過這些方法仍然處于探索階段。

▲由美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）和辛辛那提公司聯(lián)合研制的超大型FDM系統(tǒng)BAAM，也可打印復(fù)合材料

▲由美國Local Motors公司制造的全球首輛3D打印汽車，大部分使用的就是復(fù)合材料

Strati是Local Motors的第一輛3D打印汽車，這也是為什么這么多3D打印機(jī)制造商正在探索3D打印長纖維復(fù)合材料（達(dá)3mm）的可能性，大部分使用的是ABS或尼龍的熱聚合物。

最實(shí)際的案例出自美國辛辛那提的BAAM(大尺寸增材制造)平臺(tái)，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室和Local Motors公司使用BAAM和復(fù)合ABS-碳纖維顆粒一次性打印了整個(gè)家用電動(dòng)汽車的車身。

碳纖維賦予了熱聚合材料更好的機(jī)械性能，同時(shí)也減少了由于熱擠壓過程中的溫差而出現(xiàn)的翹曲現(xiàn)象。

利用尼龍?zhí)祭w維復(fù)合顆粒，Stratasys公司也邁出了更遠(yuǎn)的一步，它開發(fā)出了一個(gè)八軸機(jī)械臂，通過擠壓材料構(gòu)建出大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，能夠精確地將其放置在一個(gè)三維空間中。

這個(gè)平臺(tái)還處于測試階段，Stratasys的合作伙伴福特和波音等正在做這個(gè)工作。另外，其他低成本的材料擠出制造商和線材制造商正在開發(fā)和利用長纖維熱塑性纖維，使用尼龍?zhí)祭w維（達(dá)20-30% CF）是當(dāng)前最受歡迎的方式。


粉床熔融的復(fù)合材料

粉床融合（PBF）是另一個(gè)短（幾百微米）切纖維復(fù)合材料可能繼續(xù)獲得廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域。PBF技術(shù)的市場格局非常不同，入門級(jí)SLS系統(tǒng)最低價(jià)為20萬歐元。雖然近二十年來該市場都由EOS和3D Systems主導(dǎo)，但近年來亦有不少新公司加入，如Prodways和理光。惠普也加入了這個(gè)市場，并開發(fā)除一種稱為MJF（多射流熔融）的PBF技術(shù)，比標(biāo)準(zhǔn)SLS快十倍。

▲使用復(fù)合Windform材料和PBF技術(shù)3D打印的進(jìn)氣歧管

大多數(shù)公司會(huì)請(qǐng)大型化學(xué)公司開發(fā)新型材料，主要集中在玻璃纖維（或玻璃珠）和碳纖維尼龍復(fù)合材料。這些領(lǐng)域較為活躍的領(lǐng)頭羊有Arkema和BASF，而占據(jù)3D打印用復(fù)合粉末技術(shù)領(lǐng)先地位的就屬意大利CRP集團(tuán)和其Windform系列材料。這些材料主要用于汽車和航空原型，但逐漸也可以用于終端零件生產(chǎn)。

▲Energica的電動(dòng)超級(jí)摩托車原型中有許多用Windform 3D打印的零件

另一種可用于熱聚合物預(yù)浸料基質(zhì)的連續(xù)型纖維復(fù)合材料的3D打印技術(shù)也在開發(fā)中。由EnvisionTEC開發(fā)的SLCOM 1系統(tǒng)采用的是一種分層技術(shù)和預(yù)浸料卷制造3D零件。零件分層會(huì)先被切割出來，然后高溫熔化熱聚合物預(yù)浸料基質(zhì)，再放置在適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｕ麄�(gè)過程只能適用于X和Y軸，在Z軸上表現(xiàn)不出同樣性能，但可以使用高性能熱聚合物，如PEEK，保證零件的強(qiáng)度。

延伸閱讀：
《3D打印碳纖維復(fù)合材料新方向》
《Markforged推出第二代碳纖維3D打印機(jī) — Mark Two》
《爆料：革命性巨型3D打印機(jī)速度提高200倍，ORNL研發(fā)的BAAM》

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來源：3D打印世界