新的3D打印技術(shù)可以生產(chǎn)無(wú)支撐碳纖維零件

2022年6月2日， 南極熊獲悉，Colorado State大學(xué)的研究人員，開(kāi)發(fā)了一種無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)，也可制作碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料部件的新3D打印方法。

△正面聚合3D打印方法，可以產(chǎn)生自由形式和支撐結(jié)構(gòu)

該技術(shù)依賴于一種專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的熱固性樹(shù)脂，和一種稱(chēng)為正面聚合的獨(dú)特固化工藝，即打印過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)材料在擠出時(shí)固化。采用這種方法，獲得的部件在沒(méi)有任何外部紫外線或紅外線輻射的情況下，幾乎被立即打印出來(lái)。重要的是它們具有剛性，能夠在沒(méi)有支撐的情況下依然保持原始的幾何形狀。

這種新方法，使得3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)具有零空隙率的特點(diǎn)，并且碳纖維增強(qiáng)材料具有高度定向性，具有出色的機(jī)械性能。

用于復(fù)合3D打印的熱固性樹(shù)脂
對(duì)于那些需要使用3D打印復(fù)合材料部件的人來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)好消息。它既可以加工短切纖維材料，也可以加工長(zhǎng)連續(xù)纖維材料。

雖然復(fù)合長(zhǎng)絲是最容易獲得和最容易使用的，但由于使用溫度低、層間力學(xué)性能差、空隙率大和纖維體積相對(duì)較低，由此產(chǎn)生的部件在應(yīng)用于高性能結(jié)構(gòu)時(shí)有一定的欠缺。

根據(jù)Colorado團(tuán)隊(duì)的說(shuō)法，他們?cè)诶w維填充的熱固性復(fù)合樹(shù)脂中找到了解決方案。這些低粘度、熱敏性材料，可以通過(guò)直接墨水書(shū)寫(xiě)擠出，通常比FFF長(zhǎng)絲材料具有更好的熱機(jī)械性能。但問(wèn)題在于，熱固性材料歷來(lái)受到固化速率相關(guān)的問(wèn)題困擾。

通常，人們使用紫外線或可見(jiàn)光固化3D打印的熱固性樹(shù)脂，但光固化變體缺乏高固化速率來(lái)保持原始打印的幾何形狀，它們?cè)谟不�之前�?huì)下垂并需要支撐。它們也不能與不透明或高纖維填充墨水集成。

或者，采用熱固化工藝，但這需要非常高的環(huán)境溫度條件。就目前來(lái)看，在使用3D打印無(wú)支撐自由形狀幾何時(shí)，這些方法都沒(méi)有被證明是可行的。

△正面聚合在起作用

無(wú)支撐解決方案
正面聚合固化技術(shù)解決了固化率低的問(wèn)題，但它是如何工作的呢？在本研究中，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了基于DCPD（雙環(huán)戊二烯）的熱固性樹(shù)脂，填充了短碳纖維。

樹(shù)脂的固化會(huì)在局部使用熱刺激開(kāi)始。首先加熱打印床，然后，啟動(dòng)一個(gè)自我維持的放熱反應(yīng)，從而啟動(dòng)打印路徑，就像一根炸藥棒上點(diǎn)燃的保險(xiǎn)絲一樣。最終實(shí)現(xiàn)，復(fù)合樹(shù)脂在沉積時(shí)就地固化。

△自我維持的放熱反應(yīng)，沿打印部件向上傳播，沿途用熱量固化材料

換一種解釋來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)將打印速度，與前端速度（放熱反應(yīng)的傳播速度）精確匹配，可實(shí)現(xiàn)完全無(wú)支撐的自由形狀結(jié)構(gòu)，并立即硬化。

除了大大提高機(jī)械性能外，還發(fā)現(xiàn)添加碳纖維可以增強(qiáng)復(fù)合樹(shù)脂的流變行為和導(dǎo)熱性。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們的正面聚合3D打印技術(shù)，最終可以應(yīng)用于各種增強(qiáng)纖維類(lèi)型，甚至顆粒添加劑等。

△該研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為“正面聚合3D打印短碳纖維，增強(qiáng)熱固性聚合物復(fù)合材料”論文中找到

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c02076#

關(guān)于更多此類(lèi)技術(shù)
隨著3D打印技術(shù)和復(fù)合材料的發(fā)展。今年早些時(shí)候，瑞士3D打印專(zhuān)家9T Labs在A輪融資中籌集了1700萬(wàn)美元，用于將Red Series Additive Fusion解決方案平臺(tái)完全商業(yè)化。該平臺(tái)結(jié)合了3D打印和壓縮成型，旨在實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)先進(jìn)的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料零件，和工業(yè)化量產(chǎn)。

在其他地方，以色列3D打印機(jī)制造商Massivit 3D，最近推出了一款專(zhuān)為縮短生產(chǎn)大幅面復(fù)合模具效率而設(shè)計(jì)的新機(jī)器。Massivit 10000采用動(dòng)態(tài)澆注(CIM)技術(shù)�？蓪�(shí)現(xiàn)，澆注過(guò)程中創(chuàng)建復(fù)雜的工具。