3D打印技術(shù)在復(fù)合材料行業(yè)中的應(yīng)用（上）

來(lái)源： 玻纖情報(bào)網(wǎng)

3D打印又稱增量制造、增材制造或直接數(shù)字化制造。3D打印的過(guò)程是：先通過(guò)計(jì)算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成很薄的2D橫截面，即切片。打印機(jī)通過(guò)讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來(lái)，再將各層截面以各種方式粘合起來(lái), 從而制造出一個(gè)實(shí)體。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于它幾乎可以造出任何形狀的物品。

打印機(jī)打出的截面的厚度（即Z方向）以微米或毫米計(jì)，有的打印機(jī)甚至可以打印出16微米薄的一層。而平面方向即X-Y方向的分辨率則可以打印出跟激光打印機(jī)相近的分辨率。

傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而三維打印技術(shù)則可以以更快、更靈活以及更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對(duì)較少的產(chǎn)品。但隨著技術(shù)的發(fā)展，3D打印正逐漸走向量產(chǎn)化。

3D打印技術(shù)在復(fù)合材料制造中的應(yīng)用實(shí)例
3D打印用于復(fù)合材料制造有多種方式。從以下實(shí)例，可以看出用3D打印技術(shù)制造復(fù)合材料制品的發(fā)展軌跡和現(xiàn)狀。

美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）及其合作伙伴
2014年秋天，在美國(guó)芝加哥的IMTS展覽會(huì)上，橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和辛辛那提公司展示了世界上第一個(gè)3D打印的用短纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料汽車車身。他們與美國(guó)Local汽車公司合作，用44小時(shí)打印了名為Strati的電動(dòng)敞篷跑車車身及其他幾個(gè)部件。Strati是一輛680公斤的雙座汽車。隨后，這輛車在兩天內(nèi)完成組裝，并在展會(huì)結(jié)束前駛離IMTS新興技術(shù)展臺(tái)。

   

  ( 來(lái)源：ORNL )

Strati汽車由短切碳纖維增強(qiáng)丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）塑料制成，采用熔融沉積成型（FDM)方法。所用原料是由SABIC公司供應(yīng)的粒料，粒料與注塑用的粒料相似。粒料以真空喂料方式從2m x 2m x 2m 的料斗喂入單螺桿擠出機(jī)中。螺桿將粒料壓入一個(gè)套筒，在此將粒料加熱到約210℃。然后，熔融增強(qiáng)塑料通過(guò)直徑為8mm的擠嘴擠出。在經(jīng)過(guò)切片算法計(jì)算的CAD圖的指導(dǎo)下，擠嘴沿著一高架移動(dòng)，沉積約4mm厚的材料層。此材料層在幾秒鐘內(nèi)冷卻后，即可沉積另一層。有一個(gè)被加熱的臺(tái)子，可以讓這些鋪層保持足夠的溫度，使它們彼此粘在一起。

該示范項(xiàng)目作為3D打印汽車的一個(gè)挑戰(zhàn)，利用了由辛辛那提公司與ORNL合作建造的大面積增量制造 ( BAAM ) 機(jī)器的大尺寸打印能力。

ORNL相關(guān)人士說(shuō)：“我們是一家研究機(jī)構(gòu)，不從事汽車制造。但是Strati是一個(gè)很好的試?yán)�。如果你能打印一輛汽車，你就可以打印任何東西�！�

大規(guī)模增量制造的概念起源于20世紀(jì)90年代末的洛克希德馬丁公司。其最終愿景是采用多個(gè)機(jī)械臂控制的擠出沉積頭，利用先進(jìn)的熱塑性復(fù)合材料來(lái)制造飛機(jī)。不久之后，美國(guó)能源部向ORNL的制造示范基地下達(dá)任務(wù), 令其將3D打印技術(shù)發(fā)展成工業(yè)規(guī)模的制造過(guò)程。2014年初，Local汽車公司和辛辛那提公司加入了這一項(xiàng)目。三家公司以2014年IMTS展覽為目標(biāo)。Local汽車公司于3月宣布了3D打印汽車的設(shè)計(jì)，辛辛那提公司和ORNL則致力于建造打印Strati部件的機(jī)器。

據(jù)介紹， 大面積增量制造（BAAM）的設(shè)計(jì)目標(biāo)是要適應(yīng)各種各樣的材料，允許更多的靈活性和低成本的選擇。迄今為止的試驗(yàn)塑料包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚苯硫醚（PPS）、聚苯砜（PPSU或PPSF）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK）和聚醚酰亞胺（PEI）。作為增強(qiáng)材料，碳纖維和玻璃纖維都被用過(guò)，結(jié)果表明打印部件的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性得到了改善。通常情況下，這些粒料中的纖維直徑為5-7 μm，長(zhǎng)度為500 μm至0.5 mm。ORNL還試用過(guò)含有納米纖維和石墨烯的聚合物。

3DSYSTEMS

3DSYSTEMS在2001年購(gòu)買了美國(guó)DTM公司于20世紀(jì)80年代后期研發(fā)的激光燒結(jié)技術(shù)。在一種類似于光固化立體造型的方法中，3D系統(tǒng)公司的選擇性激光燒結(jié)（SLS）工藝使用二氧化碳激光的熱量來(lái)處理粉末狀而非液體狀的各種材料，包括尼龍和玻璃纖維或碳纖維填充尼龍。在一個(gè)與印刷車間影印機(jī)大小相當(dāng)?shù)姆忾]裝置中，二氧化碳激光器和鏡子反射系統(tǒng)安裝在一個(gè)支撐制件的臺(tái)子或底座上。一個(gè)輥?zhàn)訉⒁槐�層粉末材料分布在底座表面上，然后鏡子系統(tǒng)將激光束引導(dǎo)到粉末層上。當(dāng)光束在材料上來(lái)回掃描時(shí)，激光器不停打開和關(guān)閉，選擇性地把粉末燒結(jié)（將粉末顆粒加熱至熔化），使其尺寸和形狀與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）文件得出的橫截面切片相同。然后降低底座，將另一層粉末撒布到經(jīng)過(guò)冷卻現(xiàn)已固化的第一層上，燒結(jié)，使第二層粘合到第一層上。該過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，使厚度為0.08 mm至0.15 mm的各層疊合，直到制件完成。

美國(guó)MarkForged公司
2014年初，MarkForged公司推出了第一臺(tái)能夠打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚合物結(jié)構(gòu)的市售3D打印機(jī)，盡管其尺寸有限。

MarkForged公司的創(chuàng)意總監(jiān)Jeff Klein聲稱：“3D打印作為一種制造工藝是有意義的，它允許您根據(jù)個(gè)人需要定制每個(gè)零件，而不需要花費(fèi)很多成本或時(shí)間。”他說(shuō)，他的公司的MarkOne打印機(jī)可用來(lái)加固矯形鞋，例如，可以在足弓或腳跟部分鋪放纖維，或在某些部位以45°鋪放纖維，以糾正腳跟撞擊，或糾正步態(tài)。 他將此與過(guò)去40年中制造這些矯形器具的方法進(jìn)行了比較。他總結(jié)道，過(guò)去在花了數(shù)千美元和3-4周之后，這種器具可能做好。相比之下，3D打印復(fù)合材料不僅降低了成本，而且可以在訂購(gòu)的同一周內(nèi)拿到矯形器具。

順應(yīng)十年來(lái)復(fù)合材料的普遍趨勢(shì)，MarkForged公司的最新能力是打印帶有一體化傳感器件的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，以增加打印制品的功能。例如, 在鞋跟中埋入壓力傳感器可以監(jiān)測(cè)撞擊力。同時(shí)，現(xiàn)在的矯形器附有條形碼（在一個(gè)月內(nèi)會(huì)消失），并埋有RFID標(biāo)簽。當(dāng)遇到問(wèn)題時(shí)，掃描標(biāo)簽就會(huì)自動(dòng)提取標(biāo)簽上的所有信息。”

Klein看到了幾乎無(wú)限的機(jī)會(huì)。例如，打印賽車的零部件時(shí), 只需將這些部件與內(nèi)部的荷重傳感器一起打印出來(lái)，即可提供供空氣動(dòng)力學(xué)模擬和分析使用的數(shù)據(jù)。同時(shí)還可以加入加速度計(jì)和其他類型的傳感器。”

作為3D打印連續(xù)纖維復(fù)合材料的先驅(qū)，MarkForged公司為其X7打印機(jī)建立了堅(jiān)實(shí)的客戶基礎(chǔ)。這種打印機(jī)目前主要用于小型生產(chǎn)，但MarkForged公司產(chǎn)品副總裁Jon Reilly預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)展到小量生產(chǎn)和大量生產(chǎn)相結(jié)合。Reilly注意到，目前的連續(xù)纖維3D打印產(chǎn)品是高價(jià)值、小批量的部件，他預(yù)計(jì)隨著打印機(jī)制造商降低打印成本和材料成本，目標(biāo)市場(chǎng)將向相對(duì)高產(chǎn)量、低價(jià)值的部件發(fā)展。

MarkForged公司的連續(xù)纖維打印系統(tǒng)使用專門的預(yù)浸絲束和專門開發(fā)的熱塑性樹脂。該系統(tǒng)使用兩個(gè)打印頭，一個(gè)用于基體樹脂，另一個(gè)用于預(yù)浸絲束。技術(shù)改進(jìn)的重點(diǎn)是可靠性和可重復(fù)性。