新技術(shù)：碳纖維3D打印（三）
魔猴君 行業(yè)資訊 1825天前
延伸閱讀：新技術(shù)：碳纖維3D打印（二）
到目前為止，我們已經(jīng)介紹了碳纖維制造的一些關(guān)鍵方面，以及連續(xù)碳纖維與早期碳纖維3D打印模式下的短切相比。但是，還有一些新興的3D打印復(fù)合材料方法。
復(fù)合材料增材制造CBAM
經(jīng)過多年的研究，基于伊利諾伊州的Impossible Objects已開始商業(yè)化其基于復(fù)合材料的增材制造（CBAM）工藝。在CBAM中，粘合材料先沉積在增強(qiáng)材料片上，然后再用熱塑性粉末填充，該粉末僅粘在粘合材料上。隨后將粉末吹出或抽真空。剩下的只是增強(qiáng)纖維片上的塑料基質(zhì)。相同的過程一層又一層地繼續(xù)進(jìn)行，這些薄片一個(gè)接一個(gè)地堆疊。最終將堆疊物壓縮并移入將塑料基質(zhì)融化在一起的烤箱中。從烤箱中取出物體后，使用化學(xué)浴或砂塑料將多余的基質(zhì)材料除去，剩下最終物體。
增強(qiáng)材料的范圍從碳纖維和玻璃纖維到聚酯，聚乙烯醇，PLA甚至絲綢和棉花。由于粉末在最初沉積時(shí)不會(huì)熔化，因此基質(zhì)材料的種類可能比其他3D打印過程寬得多。目前，該公司已演示了PEEK和Nylon 12的用法，但正在開發(fā)一種用于CBAM的彈性體以及其他材料。
股骨柄植入物部分由碳纖維-PEEK復(fù)合材料3D打印
使用這種技術(shù)打印的物體可以比通過熔融沉積建模（FDM）制成的零件強(qiáng)10倍。 CBAM-2 3D打印機(jī)能夠使用12英寸x 12英寸的紙張進(jìn)行打印，但是該公司的創(chuàng)始人Robert Swartz設(shè)想能夠打印整個(gè)汽車引擎蓋一樣大的零件，并且速度可以達(dá)到每分鐘100米。
幾何形狀受所需的后處理限制。噴砂將限制形狀的復(fù)雜性，因?yàn)楹茈y達(dá)到內(nèi)部幾何形狀?；瘜W(xué)過程使結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，因?yàn)槎嘤嗟奈镔|(zhì)被溶解掉了。盡管CBAM不能制造出與使用傳統(tǒng)復(fù)合材料制造的零件一樣堅(jiān)固的零件，但與使用傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的零件相比，它可以更快地制造更復(fù)雜的零件。而且還非常節(jié)省勞動(dòng)力。
CBAM-2仍然是新的上市產(chǎn)品，已于2019年5月推出，預(yù)計(jì)將于今年第三季度交付。但是，尚未發(fā)布有關(guān)初始發(fā)貨的消息。我們確實(shí)知道Impossible Objects的旗艦Model One系統(tǒng)確實(shí)向包括福特汽車公司和捷普公司在內(nèi)的客戶推出。
CEAD
Leapfrog 3D打印機(jī)的兩位前聯(lián)合創(chuàng)始人Lucas Janssen和Maarten Logtenberg離開了臺(tái)式機(jī)3D打印業(yè)務(wù)，以開發(fā)大型連續(xù)碳纖維3D打印機(jī)。兩人成立了一家名為CEADgroup的公司，致力于創(chuàng)造出大型，快速，可靠且能夠生產(chǎn)堅(jiān)固零件的產(chǎn)品。結(jié)果就是連續(xù)纖維增材制造（CFAM），據(jù)該公司稱，該工藝可以以15公斤/小時(shí)的速度3D打印尺寸為4m x 2m x 1.5m的零件。如在注塑成型行業(yè)中通過使用工業(yè)擠出機(jī)和料斗來處理塑料顆粒，可以實(shí)現(xiàn)快速沉積速度。迄今為止可以印刷的基質(zhì)材料包括PET，PP，ABS和PEEK。增強(qiáng)材料僅限于碳纖維和玻璃纖維，但該公司希望擴(kuò)大到包括光學(xué)玻璃，銅和鋼纖維。
CEAD聲稱CFAM通過加入連續(xù)纖維增強(qiáng)材料可以使部件的強(qiáng)度提高六倍，但是尚未公開將增強(qiáng)材料送入印刷品的確切性質(zhì)。
阿雷沃（ Arevo）
Arevo是硅谷的一家初創(chuàng)公司（部分由CIA的In-Q-Tel支持），已經(jīng)開發(fā)了一種基于激光的碳纖維打印方法。該過程將沉積預(yù)浸漬的連續(xù)碳纖維長絲，并同時(shí)用激光加熱它，然后用輥將其壓縮到構(gòu)建表面上。沉積頭安裝在多軸機(jī)械臂上，可以在最適合零件設(shè)計(jì)的任何方向上進(jìn)行3D打印，從而彌補(bǔ)或利用碳纖維的各向異性。 Arevo開發(fā)的軟件還可以通過使用仿真來優(yōu)化設(shè)計(jì)。到目前為止，Arevo已通過為多家公司制造自行車車架展示了其定向能量沉積（DED）技術(shù)的功能。最近，它與日本的AGC合作提供制造即服務(wù)。
連續(xù)復(fù)合材料
另一家開發(fā)3D打印連續(xù)碳纖維方法的初創(chuàng)公司是位于愛達(dá)荷州的Continuous Composites。其連續(xù)纖維3D打印（CF3D）方法將一卷干碳纖維送入安裝在七軸工業(yè)機(jī)器人的打印頭中。在打印頭內(nèi)部，纖維用快速固化的光敏聚合物樹脂浸漬，然后通過末端執(zhí)行器抽出，并立即用強(qiáng)大的能源固化。像Arevo的機(jī)器人一樣，七軸臂可以使纖維以克服或利用材料的各向異性特性所需的任何方式進(jìn)行定向。與Arevo不同，干碳纖維被用作起始材料，有可能改善最終零件的物理性能并開放各種可用的基質(zhì)材料。有趣的是，樹脂的固化還允許CF3D工藝在空中打印。
迄今為止正在開發(fā)的增強(qiáng)材料包括：碳纖維，玻璃纖維，凱夫拉爾纖維，連續(xù)銅線，連續(xù)光纖，鎳鉻合金線和碳化硅。雖然可以使用光纖將傳感器嵌入零件內(nèi)，但是銅線可以嵌入電子器件，而鎳鉻合金可以為除冰應(yīng)用產(chǎn)生熱量。Continuous Composites正在開發(fā)自動(dòng)工具更換，以交換裝有不同纖維和樹脂的打印頭。樹脂正在與潛在的客戶一起開發(fā)，但是到目前為止，該公司已經(jīng)開發(fā)了一種耐候，耐紫外線的塑料，具有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，并且該材料符合聯(lián)邦航空局的煙，火和毒性要求。
強(qiáng)化
正如我們在該系列文章的前一篇文章中提到的那樣，短切碳纖維比連續(xù)碳纖維要弱。但是，Fortify是一家初創(chuàng)公司，憑借其數(shù)字復(fù)合材料制造（DCM）技術(shù)，該材料的分段特性具有獨(dú)特優(yōu)勢。DCM是一種新型的數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)，其中使用投影儀來固化光敏聚合物樹脂。在DCM的情況下，液體中會(huì)填充增強(qiáng)添加劑，例如切碎的碳纖維，這些添加劑會(huì)在打印過程中使用磁場對齊。
反過來，可以在必要時(shí)對添加劑進(jìn)行定向，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)零件的最佳物理性能。 DCM可以生產(chǎn)與標(biāo)準(zhǔn)DLP零件具有相同幾何復(fù)雜度的零件，但支撐結(jié)構(gòu)較少且懸垂較大。到目前為止，該公司仍處于早期階段，為潛在客戶制造零件，但是到目前為止開發(fā)的增強(qiáng)材料包括碳纖維，玻璃纖維和高溫陶瓷添加劑。特別是，該公司認(rèn)為其技術(shù)對于注塑成型的印刷工具很有價(jià)值。
除了本系列中提到的初創(chuàng)公司之外，還有更多的知名公司和研究機(jī)構(gòu)用碳纖維做有趣的事情。 2016年，EnvisionTEC（DLP的發(fā)明者）展示了一款大型3D打印機(jī)，據(jù)說該打印機(jī)能夠進(jìn)行3D打印復(fù)合材料。但是，從那以后我們什么都沒聽說過，所以有人想知道它是否真的存在。 Stratasys還曾與西門子一起開發(fā)一種碳纖維3D打印方法，但在這方面也沒有任何更新。
橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）也一直在研究這種材料，已經(jīng)協(xié)助辛辛那提公司提供了大面積增材制造技術(shù)。該工藝的特點(diǎn)是將短纖維填充的塑料迅速沉積到接近最終形狀，并負(fù)責(zé)3D打印Shelby Cobra復(fù)制品以及Local Motors的車輛。 Thermwood創(chuàng)建了該過程的另一個(gè)版本，據(jù)報(bào)道Ingersoll將于2016年與ORNL在更大的系統(tǒng)上合作，但到目前為止尚未提供更新。
