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復合3D打印相關知識

魔猴君  知識堂   601天前

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復合3D打印材料是至少兩種不同材料結合的產物。其中一種材料作為基體,用于將結構固定在一起,另一種材料作為增強元素,提供額外的性能。復合材料的目的是增加基體材料的積極性能,并在必要時中和其消極性能。通過在基體材料中添加相應增強材料的特性,基體材料可獲得更好的機械特性、不同的顏色、耐火性、穩定性、承重能力等。復合材料大致可按其材料特性(金屬、礦物、陶瓷、有機)或幾何形狀加以區分。根據其幾何特性,可分為:

 

1顆粒復合材料

2纖維復合材料(短纖維、長纖維或連續纖維)

3層狀復合材料

4滲透復合材料

纖維復合材料在材料工程中特別受歡迎,因為它們允許材料在某些方向上得到增強。碳纖維可能是市場上最受歡迎的,其次是玻璃纖維,這也是增材制造中最常用的纖維之一。

復合材料的性能

用于增材制造的增強材料通常是基于尼龍的,但也有ABSPLAPCPETG。目前,3D打印中最常用的復合材料是碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維凱夫拉爾(PPD-T)。這些材料在制造輕質但堅固的零件方面具有優勢。出于美觀功能,還可以選擇木纖維、陶瓷顆粒和植物纖維與PLA的組合。正如我們提到的,增強材料有多種類型:短纖維、長纖維或連續纖維。在第一種情況下,由長度小于一毫米的片段形成的短纖維與傳統熱塑性塑料混合,以增加部件的剛性和抵抗力。

然而,大部分性能來自于連續纖維的增強。連續纖維復合材料的制造過程不像短纖維那么簡單,因為它們在擠出時必須連續嵌入熱塑性塑料中。還可以使用設計技術(DfAM)應用纖維,優化零件的強度重量比和材料消耗。制造商聲稱連續纖維增強材料可以使零件像金屬一樣堅固。

 

采用碳纖維增強材料的3D打印零件,實現了更高的重量比和更低的材料消耗(照片來源:9TLabs

3D打印中的復合材料

在增材制造中,復合材料主要以長絲的形式存在,這就是它們主要用于FDM打印的原因。然而,用于激光粉末床熔融等工藝的金屬化合物也引起了人們的關注。例如,弗勞恩霍夫研究所正在測試金屬化合物的激光金屬沉積(LMD)。這凸顯了復合材料增材制造的市場趨勢。我們還期望未來看到更多能夠使用復合材料進行打印的技術。

該技術根據所選復合材料的類型而有所不同。短纖維復合材料可以使用普通的FDM工藝擠出,因為長絲已經含有纖維。然而,必須考慮到打印質量受到所用纖維數量的影響。短纖維復合材料均勻地增強了整個部件。然而,超過一定閾值后,3D打印部件的表面質量就會下降。另一方面,連續纖維3D打印是一個更復雜的過程,需要兩個噴嘴同時打印。通常,一個噴嘴擠出熱塑性塑料,另一個噴嘴擠出纖維。以這種方式工作的打印機的一個例子是Mark Two,來自Markforged。該機器將長纖維材料插入到使用FDM工藝制造的零件中。這樣,僅在必要時對部件進行加固。


在左側,您可以看到短纖維,由長度小于1毫米的片段組成。右側,長絲已用這些短纖維加固

(照片來源:Markforged

在使用復合材料進行FDM 3D打印時,通常需要更大直徑的噴嘴。通常制造商會指定應進行哪些調整。對于玻璃纖維,噴嘴直徑應設置為至少0.6毫米,對于碳纖維,噴嘴直徑應設置為0.4毫米,對于凱夫拉纖維,噴嘴直徑應從0.6毫米開始,然后逐漸減小至0.4毫米。如果復合材料含有木顆粒,則直徑必須設置在0.6毫米至0.8毫米之間。

另請記住,復合長絲可能會導致打印頭、軟管和擠出機組件磨損加劇。為了避免這種情況,建議使用硬化噴嘴,特別是對于碳、玻璃和凱夫拉纖維長絲。打印時正確定位線軸以優化到擠出機的路徑并確保它不會太長也很重要。除了這些注意事項外,由于復合長絲的粘度較高,還必須降低打印速度。盡管如此,復合材料具有冷卻時不收縮的優點,因此不太可能產生翹曲等打印錯誤。

 

AREVO的自行車車架采用連續長絲3D打印技術制作(照片來源:AREVO

復合材料的應用

使用增強材料進行打印的能力一直是許多3D打印公司和初創企業的目標之一。近年來,我們看到越來越多的機器和技術進入市場以實現新的應用,特別是在航空航天和汽車等領域。如前所述,碳纖維是3D打印中使用最廣泛的復合材料之一,特別是對于工作原型、汽車零件和堅固而輕質的組件等要求苛刻的應用。因此,碳纖維復合材料在體育領域也越來越受歡迎。。精英運動員正在轉向使用碳纖維來制造更輕、更快的自行車。這些優勢也適用于一級方程式賽車、汽車行業,甚至網球和賽艇等運動。

復合材料市場正在不斷增長,新的材料組合將使新的應用成為可能。工程材料探索了添加劑增強成分的使用。在中國,研究人員研究了在PEEK等高性能熱塑性塑料中添加碳纖維的好處,山特維克于2019年創造了第一種金剛石復合材料。金剛石通常無法用于增材制造,因為它太硬。然而,通過制造金剛石復合材料,該材料的特性可用于許多固體工具(采礦、鉆孔或機械加工)以及醫療植入物!

 

山特維克創造的金剛石化合物(照片來源:山特維克)



編譯整理:3dnatives

   

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