3D打印金屬基復(fù)合材料-含碳纖維的液態(tài)金屬

來源：機械工程學(xué)報

與減材制造相比，增材制造的獨特優(yōu)勢在于更容易加工金屬，具有生產(chǎn)獨特幾何形狀的部件的額外好處。除了開放處理難于加工的材料（如難熔金屬）之外，增材制造還使金屬基復(fù)合材料的加工（MMC）成為可能。一項發(fā)表在《機械工程學(xué)報》的研究記錄了一個研究小組為結(jié)合金屬和增強纖維的不同性能而采用的3D打印MMC的方法。

來自陜西省快速制造技術(shù)工程研究中心的研究人員將錫鉛與碳纖維結(jié)合起來，一方面探索利用鉛的輻射屏蔽性能，另一方面利用碳纖維強度的可能性。同時，這項研究試圖展示鉛的3D打印能力，以前由于鉛的潤濕性（液態(tài)時無法粘在固體表面）而很難實現(xiàn)。

FTP流程概述。圖片由《機械工程學(xué)報》提供。

為了實現(xiàn)這一目標，研究團隊依靠具有更好潤濕性的液態(tài)錫鉛。通過一種被稱為纖維牽引打印（FTP）的工藝，將電鍍有鎳和銅的碳送入擠出機，再將其浸入熔融的錫鉛，并使用類似于Markforged，Anisoprint現(xiàn)有復(fù)合3D打印機的材料擠壓工藝進行打印。

研究人員對這項技術(shù)進行了多次觀察。例如，由于液態(tài)金屬的表面張力，研究人員無法從理論上計算出如何實現(xiàn)形態(tài)均勻性。但是，該團隊能夠確定打印速度和沉積均勻性之間的實際關(guān)系。盡管電鍍程度更高的碳纖維沒有顯示出可觀察到的缺陷，但在液態(tài)金屬和纖維之間的潤濕性也較低，且鍍層較厚。

樣品在（a）1毫米/秒，（b）2毫米/秒，（c）3毫米/秒和（d）4毫米/秒的打印速度和10/100、20/100、30/100、40/100地送絲速度打印試樣的單絲形態(tài)。圖片由《機械工程學(xué)報》提供。

研究表明，通過將液態(tài)金屬與碳纖維結(jié)合，不僅可以將液態(tài)金屬模制成所需的形狀，而且還可以改善低熔點合金（如錫鉛）的機械性能。當(dāng)使用帶有3微米電鍍層的碳纖維時，錫鉛材料的抗拉強度從33.3MPa增加到235.2MPa。隨著電鍍層厚度的增加，纖維體積也增大。

3D打印鉛的功能可能會導(dǎo)致需要輻射屏蔽的獨特部件，如航天器。該團隊認為，F(xiàn)TP流程可以擴展到其他MMC，如碳纖維鋁和碳纖維鎂。

圖片由《機械工程學(xué)報》提供

由于金屬基復(fù)合材料幾乎總是比它們要替代的傳統(tǒng)材料更貴，因此通常只用于高端應(yīng)用，如高性能刀具（碳化鎢）、跑車（碳纖維和碳化硅、碳化硼鋁）、電子產(chǎn)品（銅銀和鉆石，鋁石墨），和航空航天（碳化硅纖維和鈦）。同樣，由于規(guī)模的問題，增材制造也經(jīng)常保留給高端的短期應(yīng)用程序。反過來，隨著打印MMC能力的提高，我們預(yù)計這兩個領(lǐng)域可能會有更大的重疊。

到目前為止，許多機構(gòu)都在進行打印MMC的研究，包括加利福尼亞州立大學(xué)，該校的一個團隊正在用陶瓷3D打印鈦合金。AGH大學(xué)，將Inconel625和碳化鎢結(jié)合在一起；迪肯大學(xué)（DeakinUniversity），將氮化硼和鈦混合在一起。

盡管這類研究自然要花時間才能超越實驗室的界限，但毫無疑問，現(xiàn)有的商業(yè)實體很可能正在研究類似的技術(shù)，特別是如果這些企業(yè)已經(jīng)在經(jīng)營纖維復(fù)合材料和金屬，就像DesktopMetal和Markforged一樣。