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长、短碳纤维的3D打印技术

2018-10-11 来源:材料科技在线
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利用传统复合材料碳纤维的3D打印技术

3D打印碳纤维可能是继金属之后目前最受追捧的增材制造技术。而且随着增材制造领域的发展,当前最新进展就在于一种能够利用难以捉摸材料的打印机终于成为现实。然而,并不是所有的碳纤维3D打印机都是一种类型的。有些机器可以利用微观短切纤维来增强传统的热塑性塑料,而有的机器则是使用连续的长纤维铺设在基础热塑性基质(其中,通常也会填充短切纤维)内部,以制造零件内部的“骨架”。

碳纤维的介绍

碳纤维是由排列在一起的碳原子链组成的,且具有极高的拉伸强度。但是,当我们单独使用它们时,其薄而脆的特性使它们在任何实际应用中很容易破碎,所以其自我存在的价值并不高。然而,当使用粘接剂将纤维分组并粘附在一起时,纤维平稳地分布载荷,并形成一种非常坚固且质地轻的复合材料。其中,这些碳纤维复合材料主要是以片材,管材或定制模塑特征的形式出现,并广泛应用于航空航天和汽车等以强度重量比为主导的行业。而且,传统上使用的粘合剂多为热固性树脂。

碳纤维打印技术

随着3D打印技术的发展,我们可以使用碳纤维进行3D打印(3D打印技术的最新进展)。然而,与标准的碳纤维工艺不同的地方就在于所用的粘合材料不同。由于之前所用的粘结剂热固性树脂不会熔化,因此其不能通过喷嘴挤出(即不能用于3D打印技术),所以为了解决这个问题,3D打印机采用易于打印的热塑性塑料替代热固性树脂。虽然这些打印的部件不如树脂基质碳纤维复合材料那样耐热,但它们由于碳纤维的混入,确实增强了热塑性塑料的强度。

短切碳纤维打印vs连续碳纤维打印

目前有两种碳纤维打印方法:短切碳纤维填充热塑性塑料和连续碳纤维增强材料。其中,一方面,切碎的碳纤维填充热塑性塑料是通过标准FFF(FDM)打印机进行打印的,其主要组成材料是热塑性塑料(PLA,ABS或尼龙)与细小的短切碳纤维。另一方面,连续碳纤维制造是一种独特的印刷工艺,其将连续的碳纤维束铺设到标准FFF(FDM)热塑性基材中。

虽然短切碳纤维填充塑料和连续纤维制造都使用碳纤维,但它们之间的差异是巨大的。所以了解每种方法的工作原理及其理想的应用将会有助于您做出明智的决策,确定您在增材制造工作中应采取哪些措施。


碳纤维3D打印--短切碳纤维填充热塑性塑料

简单来讲,短切碳纤维是标准热塑性塑料的助推器。它允许公司打印通常较弱的材料以增加其机械强度。然后将该材料与热塑性塑料混合,并将所得混合物挤出成用于熔融长丝制造(FFF)技术的线轴。对于采用FFF方法制备的复合材料,其是由短切纤维(通常是碳纤维)与尼龙、ABS或PLA等传统热塑性塑料混合而成。在FFF工艺不变的情况下,短切纤维增加了模型的强度、刚度,提高了模型的尺寸稳定性、以及表面光洁度和精度。

这种方法并非只有优点。一些短纤维增强纤维通过使材料过度饱和来提高强度。这不仅损害了零件的整体质量,而且还降低了表面质量和零件精度。所以原型部件和最终使用部件可以使用短切碳纤维来制造,因为它提供了内部测试或面向客户的部件所需的强度和外观。


碳纤维3D打印--利用连续纤维增强

连续碳纤维才是真正的增强复合材料强度的关键。利用3D打印复合材料部件替代传统的金属部件,其优势在于可以在重量的一小部分上实现类似的强度,所以从效益上来讲,这是一种经济有效的解决方案。具体而言,就是使用连续长丝制造(CFF)技术镶嵌在热塑性塑料中。而使用这种方法的打印机在打印时,通过FFF挤出的热塑性塑料内的第二个印刷喷嘴铺设连续的高强度纤维(例如碳纤维,玻璃纤维或Kevlar)。从而使得增强纤维形成印刷零件的“主干”,产生坚硬,坚固和耐用的效果。

连续碳纤维不仅增加了强度,而且还允许用户在需要更高耐用性的区域中选择性地加固。由于核心流程的FFF性质,您可以选择逐层基础地在何处进行强化。在每层中,有两种增强方法:同心和各向同性。同心填充加强了每层(内部和外部)的外边界,并通过用户定义的循环数延伸到零件中。各向同性填充在每层上形成单向复合增强,并且可以通过改变层上的加固方向来模拟碳纤维编织。总的来讲,这些强化策略使航空航天,汽车和制造等行业能够以新的方式将复合材料集成到其工作流程中。打印零件可以作为工具和夹具(这些都要求连续的碳纤维可以有效地模拟金属性能。),如手臂末端的工具,软颚,和CMM固定物。

当今,增材制造领域已经呈爆发式发展,一些打印机提供了碳纤维打印的能力。但是,您最好注意一下您所购买的复合材料以及每一种纤维已经开放的应用。除非它指明它是连续的碳纤维,否则这种材料几乎肯定是由切碎的碳纤维增强长丝组成的。虽然两者都提供独立的价值,但能够同时打印两者是满足您所有应用需求的最佳方式。

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