Reinforce3D推出連續(xù)纖維注射工藝 (CFIP) 技術(shù)，增強(qiáng)3D打印部件性能

Reinforce3D 是一家位于西班牙的初創(chuàng)公司，于 2022 年獲 BeAble Innvierte Kets Fund (BIKF)、Eurecat 和 Marc Crescenti 的資助。Reinforce3D旨在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和商業(yè)化連續(xù)纖維注射工藝 (CFIP) 技術(shù)。



連續(xù)纖維注射工藝 (CFIP) 技術(shù)
CFIP 并不是一種3D打印技術(shù)，而是一種新的后處理技術(shù)，通過(guò)使用碳纖維等連續(xù)纖維對(duì) 3D 打印部件進(jìn)行加固，可大幅提高其機(jī)械性能和輕量化性能，適用于塑料、金屬、陶瓷等多種材料，并支持復(fù)雜纖維路徑設(shè)計(jì)、多部件整體連接以及大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。


△Reinforce3D研發(fā)的Delta機(jī)器，用于加固3D打印零件

CFIP工作原理

1.纖維選擇與準(zhǔn)備
在進(jìn)行CFIP之前，首先需要選擇合適的連續(xù)纖維材料。這些纖維可以是碳纖維、玻璃纖維或芳綸纖維等高強(qiáng)度材料，具體選擇取決于最終應(yīng)用的需求。纖維通常以卷軸形式提供，并在加工前進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，如清潔和涂覆界面劑，以確保纖維材料能與基體材料良好結(jié)合。

2.纖維注入過(guò)程
CFIP的核心在于其獨(dú)特的纖維注入機(jī)制。將選定的連續(xù)纖維通過(guò)特制的注射裝置精確地注入到已經(jīng)成型但尚未完全固化的零件內(nèi)部或表面，纖維沿著預(yù)先設(shè)計(jì)的路徑被鋪設(shè)。在這一過(guò)程中，工程師可以根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的要求來(lái)優(yōu)化纖維的方向和分布，從而最大化零件的性能。

3.纖維與基體材料的整合
在纖維注入的同時(shí)，還需要考慮如何使纖維與零件的基礎(chǔ)材料（即基體）緊密結(jié)合。對(duì)于熱塑性塑料制成的零件，可以通過(guò)加熱基體材料至軟化狀態(tài)，使得纖維能夠順利插入并固定在其內(nèi)部。而對(duì)于熱固性樹(shù)脂，則可能需要使用特定的化學(xué)試劑或者紫外線照射等方式加速固化過(guò)程，確保纖維與基體形成堅(jiān)固的整體。

4.后續(xù)處理
完成纖維注入之后，零件通常需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的固化或硬化處理。這一階段的目標(biāo)是確保所有組件都能達(dá)到所需的物理和化學(xué)性質(zhì)。此外，還可能包括去除多余的材料、打磨表面以及進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)等步驟。


△優(yōu)勢(shì)

優(yōu)勢(shì)：
●自由的纖維路徑：允許將纖維按照復(fù)雜的路徑放置在各個(gè)方向（也可以在打印層之間）。

●適用于多種材料：可以增強(qiáng)由任何現(xiàn)有 AM 技術(shù)和材料制成的零件，包括塑料、金屬和陶瓷。

●可實(shí)現(xiàn)整體連接：能夠?qū)⒉煌�的部件整體連接在一起，并且部件之間具有纖維連續(xù)性，從而實(shí)現(xiàn)超高的連接性能。

●能制造大型結(jié)構(gòu)：高效制造大型、多材料和多工藝結(jié)構(gòu)。

Reinforce3D合作項(xiàng)目流程


△合作流程

Reinforce3D會(huì)與專(zhuān)門(mén)的增材制造應(yīng)用工程師一起協(xié)作，以正確使用連續(xù)纖維注射工藝 (CFIP) 。Reinforce3D會(huì)根據(jù)客戶的特定需求定制 CFIP 解決方案、提供競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)并促進(jìn)創(chuàng)新。

1.規(guī)格定義：客戶提供擬議案例的相關(guān)信息，這些信息可包括零件幾何形狀、載荷、約束區(qū)域、材料類(lèi)型等。Reinforce3D將通過(guò)在3D打印和復(fù)合材料領(lǐng)域的深厚知識(shí)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)做出判斷。

2.概念設(shè)計(jì)和拓?fù)鋬?yōu)化：Reinforce3D提出了一種基于專(zhuān)門(mén)為 CFIP 技術(shù)開(kāi)發(fā)的拓?fù)鋬?yōu)化方法，能夠根據(jù)定義的目標(biāo)（等最小質(zhì)量）確定纖維路徑和 AM 材料的最佳分布。

3.詳細(xì)設(shè)計(jì)和 FEM 驗(yàn)證：Reinforce3D通過(guò)添加所有必要的特征來(lái)完善上一步生成的優(yōu)化概念設(shè)計(jì)，以確保零件的完整功能和制造可行性。然后，使用基于有限元方法的機(jī)械模擬進(jìn)行虛擬驗(yàn)證設(shè)計(jì)。

4.原型制造：Reinforce3D 目前擁有從單個(gè)單元到小型生產(chǎn)單元的制造能力，包括 3D 打印部件及其使用 CFIP 技術(shù)的加固。

5.原型測(cè)試：Reinforce3D 可以在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行原型測(cè)試，以通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證零件，例如在確定的負(fù)載條件下校核強(qiáng)度或剛度。

6.經(jīng)濟(jì)可行性分析：Reinforce3D 還可以根據(jù)客戶定義的年度生產(chǎn)目標(biāo)計(jì)算所開(kāi)發(fā)解決方案的 OPEX 和 CAPEX 成本，其中包括材料、人工和設(shè)備相關(guān)成本。


△CFIP 技術(shù)可助力的領(lǐng)域

CFIP技術(shù)與傳統(tǒng)復(fù)合纖維增強(qiáng)工藝的核心區(qū)別是什么？

CFIP技術(shù)與傳統(tǒng)復(fù)合纖維增強(qiáng)工藝的核心區(qū)別主要體現(xiàn)在工藝范式和技術(shù)特性兩個(gè)層面：

作為首個(gè)后處理增材制造強(qiáng)化技術(shù)，CFIP突破了傳統(tǒng)工藝在制造時(shí)序上的限制。傳統(tǒng)方法需在制造過(guò)程中同步完成纖維與基體的復(fù)合（如預(yù)浸料鋪層或纖維纏繞），而CFIP創(chuàng)新性地在3D打印完成后，通過(guò)向預(yù)置的仿生管狀網(wǎng)絡(luò)注入連續(xù)纖維與納米改性樹(shù)脂實(shí)現(xiàn)性能強(qiáng)化。這種后處理特性使其具備獨(dú)特的部件修復(fù)能力，可對(duì)金屬或陶瓷部件進(jìn)行針對(duì)性增強(qiáng)，而傳統(tǒng)工藝僅適用于新制件的一次成型。



在纖維架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，CFIP通過(guò)三維拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)現(xiàn)了跨維度的纖維排布。注射路徑可突破傳統(tǒng)層狀結(jié)構(gòu)的限制，在打印層間構(gòu)建仿生網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)，例如在航空部件中實(shí)現(xiàn)骨骼狀三維增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)。相較之下，傳統(tǒng)工藝受限于平面鋪層或簡(jiǎn)單纏繞路徑，難以在復(fù)雜曲面部件中實(shí)現(xiàn)力學(xué)最優(yōu)的纖維取向。這種空間自由度的突破使CFIP制件的各向異性指數(shù)降低。

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