可替代金屬，如何用好Stratasys碳纖維增強(qiáng)3D打印

2022年5月31日，Stratasys聯(lián)合南極熊舉辦了一場(chǎng)線上研討會(huì)，介紹了Stratasys的碳纖維強(qiáng)化材料打印解決方案，本場(chǎng)直播由 Stratasys 制造部門(mén)高級(jí)應(yīng)用工程師李清淏主講。

本場(chǎng)研討會(huì)中，介紹了什么是碳纖維材料，Stratasys新碳纖維增強(qiáng)材料的優(yōu)勢(shì)，碳纖維增強(qiáng)材料的目標(biāo)應(yīng)用，以及碳纖維增強(qiáng)材料3D打印機(jī)。

碳纖維經(jīng)常出現(xiàn)在一些高性能的場(chǎng)合，比如跑車的覆蓋件，運(yùn)動(dòng)頭盔等。碳纖維材料輕便、強(qiáng)度高，每一根碳纖維都是由數(shù)千條更微小的碳纖維所組成，直徑大約5至8微米，幾乎全部由碳構(gòu)成。最早的一代（如T300，HTA和AS4）有16-22微米直徑。新研發(fā)的碳纖維（如IM6或IM600）的直徑大約有5微米。

傳統(tǒng)碳纖維零件的制造工藝流程包括：碳纖維預(yù)浸料→包覆→高溫高壓固化→脫模→整形修邊→表面處理。

通過(guò)對(duì)客戶需求的調(diào)研，零件質(zhì)量、更好的機(jī)械特性和開(kāi)放材料系統(tǒng)是最有可能獲得溢價(jià)的特點(diǎn)。于是，Stratasys推出了使用3D打印來(lái)制造碳纖維部件的技術(shù)。打印方式涵蓋了三種：
●直接使用符合材料打印機(jī)打印零件；
●打印鋪覆模具；
●犧牲模具；

其中，直接打印碳纖維增強(qiáng)材料是主流的用法，將短切碳纖維與基礎(chǔ)聚合物尼龍混合，然后再拉成3D打印長(zhǎng)絲，并在FDM 3D打印機(jī)中使用。

基于以上材料制備原理，Stratasys推出了三款碳纖維復(fù)合材料，分別是ABS-CF10（含10%碳纖維）、NylonCF-10（含10%碳纖維）、Nylon12CF（含35%碳纖維）。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，這三款材料在添加了碳纖維之后，性能都得到了提升，今年推出的Nylon-CF10的強(qiáng)度超出基材尼龍材料的60%，剛度是其3倍。

通過(guò)打印碳纖維復(fù)合材料，可以最高抗拉強(qiáng)度可達(dá)83MPa，能夠生產(chǎn)接近完全致密的零件。而且可以實(shí)現(xiàn)精確復(fù)雜的幾何形狀，并帶有可溶性支撐材料。Stratasys打印機(jī)具有99%的正常運(yùn)行時(shí)間，99%的尺寸可重復(fù)性。

在工廠車間內(nèi)，3D打印的碳纖維零件可以用于CNC卡鉗、臂端工具、CMM固定裝置、轉(zhuǎn)運(yùn)料架、金屬成型模具、折彎?rùn)C(jī)工具、生產(chǎn)備件和鉆孔導(dǎo)向等。

李工在研討會(huì)中詳細(xì)介紹了其中幾個(gè)代表性的應(yīng)用案例，比如用于CNC工件轉(zhuǎn)運(yùn)的料架，通過(guò)在Stratasys打印機(jī)上使用Nylon-CF10打印，滿足所有工作要求的高強(qiáng)度和高剛度，節(jié)省了超過(guò)80%的人工時(shí)間和成本。而且工件的外觀形狀完美匹配。

另一個(gè)代表案例是使用Stratasys Fortus450打印機(jī)打印的Nylon12CF，可以用于不銹鋼產(chǎn)品的沖壓成形。其抗壓性滿足沖壓模具的要求，制作過(guò)程節(jié)省了87%的人工時(shí)間和80%成本。

深入分析了福特汽車生產(chǎn)線上的一個(gè)案例，使用3D打印Nylon12CF替代笨重的金屬工裝。這是一套用于定位和測(cè)量汽車尾部三角窗的工裝，原本使用鋁合金焊接制成，非常笨重，不符合人體工程學(xué)的設(shè)計(jì)。通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)改良，一體化的設(shè)計(jì)優(yōu)化，將工裝重量從5.44公斤降低到3.62公斤，減重33%�？偨M裝成本為2582美元。

為了進(jìn)一步滿足生產(chǎn)車間、實(shí)驗(yàn)室對(duì)碳纖維3D打印的需求，Stratasys推出了F123 CR系列和F370 CR系列3D打印機(jī)。

此外，這些設(shè)備也將支持第三方的材料，目前Stratasys正與材料供應(yīng)商Covestro、Kimya和Victrex plche合作，讓用戶擁有更多的選擇。

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