碳纖維3D打印機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介和應(yīng)用方案

3D打印碳纖維可能是繼金屬之后目前最受追捧的增材制造技術(shù)。而且隨著增材制造領(lǐng)域的發(fā)展，當(dāng)前最新進(jìn)展就在于一種能夠利用難以捉摸材料的打印機(jī)終于成為現(xiàn)實(shí)。然而，并不是所有的碳纖維3D打印機(jī)都是一種類(lèi)型的。有些機(jī)器可以利用微觀短切纖維來(lái)增強(qiáng)傳統(tǒng)的熱塑性塑料，而有的機(jī)器則是使用連續(xù)的長(zhǎng)纖維鋪設(shè)在基礎(chǔ)熱塑性基質(zhì)(其中，通常也會(huì)填充短切纖維)內(nèi)部，以制造零件內(nèi)部的“骨架”。

碳纖維的介紹

碳纖維是由排列在一起的碳原子鏈組成的，且具有極高的拉伸強(qiáng)度。但是，當(dāng)我們單獨(dú)使用它們時(shí)，其薄而脆的特性使它們?cè)谌魏螌?shí)際應(yīng)用中很容易破碎，所以其自我存在的價(jià)值并不高。然而，當(dāng)使用粘接劑將纖維分組并粘附在一起時(shí)，纖維平穩(wěn)地分布載荷，并形成一種非常堅(jiān)固且質(zhì)地輕的復(fù)合材料。其中，這些碳纖維復(fù)合材料主要是以片材，管材或定制模塑特征的形式出現(xiàn)，并廣泛應(yīng)用于航空航天和汽車(chē)等以強(qiáng)度重量比為主導(dǎo)的行業(yè)。而且，傳統(tǒng)上使用的粘合劑多為熱固性樹(shù)脂。

碳纖維打印技術(shù)

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，我們可以使用碳纖維進(jìn)行3D打印(3D打印技術(shù)的最新進(jìn)展)。然而，與標(biāo)準(zhǔn)的碳纖維工藝不同的地方就在于所用的粘合材料不同。由于之前所用的粘結(jié)劑熱固性樹(shù)脂不會(huì)熔化，因此其不能通過(guò)噴嘴擠出(即不能用于3D打印技術(shù))，所以為了解決這個(gè)問(wèn)題，3D打印機(jī)采用易于打印的熱塑性塑料替代熱固性樹(shù)脂。雖然這些打印的部件不如樹(shù)脂基質(zhì)碳纖維復(fù)合材料那樣耐熱，但它們由于碳纖維的混入，確實(shí)增強(qiáng)了熱塑性塑料的強(qiáng)度。

短切碳纖維打印vs連續(xù)碳纖維打印

目前有兩種碳纖維打印方法：短切碳纖維填充熱塑性塑料和連續(xù)碳纖維增強(qiáng)材料。其中，一方面，切碎的碳纖維填充熱塑性塑料是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)FFF(FDM)打印機(jī)進(jìn)行打印的，其主要組成材料是熱塑性塑料(PLA，ABS或尼龍)與細(xì)小的短切碳纖維。另一方面，連續(xù)碳纖維制造是一種獨(dú)特的印刷工藝，其將連續(xù)的碳纖維束鋪設(shè)到標(biāo)準(zhǔn)FFF(FDM)熱塑性基材中。

雖然短切碳纖維填充塑料和連續(xù)纖維制造都使用碳纖維，但它們之間的差異是巨大的。所以了解每種方法的工作原理及其理想的應(yīng)用將會(huì)有助于您做出明智的決策，確定您在增材制造工作中應(yīng)采取哪些措施。

碳纖維3D打印--短切碳纖維填充熱塑性塑料

簡(jiǎn)單來(lái)講，短切碳纖維是標(biāo)準(zhǔn)熱塑性塑料的助推器。它允許公司打印通常較弱的材料以增加其機(jī)械強(qiáng)度。然后將該材料與熱塑性塑料混合，并將所得混合物擠出成用于熔融長(zhǎng)絲制造(FFF)技術(shù)的線軸。對(duì)于采用FFF方法制備的復(fù)合材料，其是由短切纖維(通常是碳纖維)與尼龍、ABS或PLA等傳統(tǒng)熱塑性塑料混合而成。在FFF工藝不變的情況下，短切纖維增加了模型的強(qiáng)度、剛度，提高了模型的尺寸穩(wěn)定性、以及表面光潔度和精度。

這種方法并非只有優(yōu)點(diǎn)。一些短纖維增強(qiáng)纖維通過(guò)使材料過(guò)度飽和來(lái)提高強(qiáng)度。這不僅損害了零件的整體質(zhì)量，而且還降低了表面質(zhì)量和零件精度。所以原型部件和最終使用部件可以使用短切碳纖維來(lái)制造，因?yàn)樗�提供了�?nèi)部測(cè)試或面向客戶的部件所需的強(qiáng)度和外觀。

連續(xù)碳纖維才是真正的增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度的關(guān)鍵。利用3D打印復(fù)合材料部件替代傳統(tǒng)的金屬部件，其優(yōu)勢(shì)在于可以在重量的一小部分上實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的強(qiáng)度，所以從效益上來(lái)講，這是一種經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。具體而言，就是使用連續(xù)長(zhǎng)絲制造(CFF)技術(shù)鑲嵌在熱塑性塑料中。而使用這種方法的打印機(jī)在打印時(shí)，通過(guò)FFF擠出的熱塑性塑料內(nèi)的第二個(gè)印刷噴嘴鋪設(shè)連續(xù)的高強(qiáng)度纖維(例如碳纖維，玻璃纖維或Kevlar)。從而使得增強(qiáng)纖維形成印刷零件的“主干”，產(chǎn)生堅(jiān)硬，堅(jiān)固和耐用的效果。

連續(xù)碳纖維不僅增加了強(qiáng)度，而且還允許用戶在需要更高耐用性的區(qū)域中選擇性地加固。由于核心流程的FFF性質(zhì)，您可以選擇逐層基礎(chǔ)地在何處進(jìn)行強(qiáng)化。在每層中，有兩種增強(qiáng)方法：同心和各向同性。同心填充加強(qiáng)了每層(內(nèi)部和外部)的外邊界，并通過(guò)用戶定義的循環(huán)數(shù)延伸到零件中。各向同性填充在每層上形成單向復(fù)合增強(qiáng)，并且可以通過(guò)改變層上的加固方向來(lái)模擬碳纖維編織�？偟膩�(lái)講，這些強(qiáng)化策略使航空航天，汽車(chē)和制造等行業(yè)能夠以新的方式將復(fù)合材料集成到其工作流程中。

當(dāng)今，增材制造領(lǐng)域已經(jīng)呈爆發(fā)式發(fā)展，一些打印機(jī)提供了碳纖維打印的能力。但是，您最好注意一下您所購(gòu)買(mǎi)的復(fù)合材料以及每一種纖維已經(jīng)開(kāi)放的應(yīng)用。除非它指明它是連續(xù)的碳纖維，否則這種材料幾乎肯定是由切碎的碳纖維增強(qiáng)長(zhǎng)絲組成的。雖然兩者都提供獨(dú)立的價(jià)值，但能夠同時(shí)打印兩者是滿足您所有應(yīng)用需求的最佳方式。