碳纖維：史上最好的3D打印材料之一

如果說(shuō)70億美金的3D打印行業(yè)的確要獲得千億美金的制造市場(chǎng)的一部分份額，3D打印技術(shù)就需要在設(shè)備工藝與材料兩方面發(fā)力。這方面Carbon與惠普正在通過(guò)他們的工藝來(lái)展示這種可能性變成現(xiàn)實(shí)。

　　材料領(lǐng)域，材料化學(xué)公司從杜邦到伊士曼紛紛投身到3D打印材料的研究中。而根據(jù)市場(chǎng)咨詢(xún)公司IDTechEx,到2025年材料市場(chǎng)有望達(dá)到83億美金的市場(chǎng)份額，3D科學(xué)谷認(rèn)為雖然光固化目前占據(jù)材料市場(chǎng)的最大市場(chǎng)份額，然而要跟傳統(tǒng)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，復(fù)合材料將是3D打印成為主流技術(shù)的背后驅(qū)動(dòng)力之一。點(diǎn)擊GE視頻，了解復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的重要性。

　　而復(fù)合材料領(lǐng)域，對(duì)于制造業(yè)來(lái)說(shuō)最重要的一個(gè)領(lǐng)域就是碳纖維增強(qiáng)材料，可以提供與金屬相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，又非常輕，碳纖維在需要考慮重量與強(qiáng)度比的行業(yè)包括航空航天、汽車(chē)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。

　　碳纖維從1970年后就開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)制造領(lǐng)域，應(yīng)用到汽車(chē)、運(yùn)動(dòng)品、工程與電子領(lǐng)域。而空客的A350XWB包括了52%的碳纖維增強(qiáng)（CFRP)部件，波音787Dreamliner包括了50%的碳纖維增強(qiáng)（CFRP)部件。汽車(chē)領(lǐng)域的寶馬BMWi3也大量使用碳纖維增強(qiáng)部件。

圖片：飛機(jī)上碳纖維比例逐年提高，來(lái)源Hexel

　　傳統(tǒng)工藝制造碳纖維的過(guò)程十分復(fù)雜并需要大量的人力勞動(dòng)。3D打印為碳纖維制造帶來(lái)了新的領(lǐng)域，更方便，并不需要大量的人工。

桌面碳纖維打印

　　通過(guò)FDM熔融擠出的方式打印碳纖維需要將碳纖維與熱熔塑料一起打印。在這方面，荷蘭的colorFabb公司的XT-CF20材料里面含有伊士曼化工的PETG材料以及20%的碳纖維材料。3DXTECH也是用伊士曼PETG材料結(jié)合高模量碳纖維制成復(fù)合材料。PETG這種材料，本身就有很好的延展性，而且它能在承受更高的CF負(fù)載的同時(shí)保持一定的延展性和抗沖擊性。它能夠很好地粘附在多種構(gòu)建平臺(tái)上，同時(shí)也具有優(yōu)異的層粘合，而碳纖維的加入不僅增加了它的剛性和尺寸穩(wěn)定性。另外一家公司，Proto-pasta的碳纖維增強(qiáng)材料PLA，一種玉米淀粉提取的衍生塑料和碳纖維復(fù)合材料。

　　PLA可能是最容易打印的，ABS與PETG強(qiáng)度更大，尼龍難以打印，但比起其他材料耐磨性最好。如果要與工業(yè)級(jí)零件競(jìng)爭(zhēng)，PEEK應(yīng)該是理想的選擇，PEEK最強(qiáng)，最耐熱，化學(xué)和抗潮濕性能最好。桌面型打印機(jī)方面，Markforged的設(shè)備還可以用來(lái)制造尼龍?zhí)祭w維增強(qiáng)材料。另外一家公司，OrbitalComposites也開(kāi)發(fā)出了可以打印復(fù)合材料長(zhǎng)絲的設(shè)備，并且還準(zhǔn)備在外太空零重力情況下打印。

工業(yè)級(jí)碳纖維打印

　　來(lái)自美國(guó)硅谷的ArevoLabs不僅提供碳纖維工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)，還提供3D打印的新型碳纖維和碳納米管（CNT）增強(qiáng)型高性能材料，而且使用其專(zhuān)有的3D打印技術(shù)和專(zhuān)用軟件算法可以使用市場(chǎng)上現(xiàn)有的長(zhǎng)絲融熔3D打印機(jī)制造產(chǎn)品級(jí)的超強(qiáng)聚合物零部件。

　　ArevoLabs推出了一個(gè)可擴(kuò)展的以機(jī)器人為基礎(chǔ)的增材制造RAM（Robot-basedAdditiveManufacturing）設(shè)備用來(lái)打印復(fù)合材料。3D科學(xué)谷曾介紹過(guò)該平臺(tái)由一個(gè)市售的機(jī)械臂，復(fù)合沉積端執(zhí)行器和一個(gè)全面的軟件套件。

　　目前軟件是專(zhuān)門(mén)針對(duì)ABBIRB120六軸機(jī)器人，但可擴(kuò)展的軟件也可以支持更大的ABB機(jī)器人型號(hào)和尺寸，根據(jù)機(jī)器人的大小，打印體積可以從1000立方毫米達(dá)到8立方米。

　　ImpossibleObjects的CBAM（composite-basedadditivemanufacturingmethod）工藝將強(qiáng)度更高的材料用于3D打印技術(shù)，比如碳纖維、芳綸（Kevlar）和玻璃纖維等。打印完成后的零部件要比使用傳統(tǒng)熱塑性材料3D打印出來(lái)的部件強(qiáng)度要高2倍—10倍。由于其獨(dú)特的復(fù)合材料構(gòu)成，用戶(hù)也可以通過(guò)定制以用于各種應(yīng)用，包括熱和化學(xué)腐蝕等環(huán)境。

　　ImpossibleObjects的工作原理是當(dāng)CAD文件被切圖成獨(dú)立的位圖層，打印機(jī)就將熱塑性液滴按照位圖模型打印到復(fù)合材料的基層上，隨后基層材料中那些沒(méi)有被液滴黏住的粉末被吹吸掉，只留下根據(jù)位圖模型形成的粘結(jié)劑與復(fù)合材料。

　　比桌面型設(shè)備打印速度快10倍，ImpossibleObjects的CEORobertSwartz相信他們的打印速度可以提高到100米每分鐘。目前設(shè)備可以打印的尺寸是12inx16in(305mmx406mm)。另外，3D科學(xué)谷了解到ImpossibleObjects的設(shè)備還處于測(cè)試驗(yàn)證階段，定于2017年正式上市。

　　除了ImpossibleObjects的CBAM技術(shù)，EnvisionTec推出了SLCOM13D打印機(jī)，該打印的核心技術(shù)是EnvisionTec擁有專(zhuān)利的SLCOM(selectivelaminationcompositeobjectmanufacturing)技術(shù)。

　　EnvisionTEC與2016年中推出SLCOM1工業(yè)級(jí)復(fù)合材料3D打印機(jī)，SLCOM?可以用來(lái)加工玻璃纖維織物、碳纖維織物或其他品種的加強(qiáng)型芳綸纖維織物，可選擇使用尼龍6、尼龍11、尼龍12、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚碳酸酯和很多其他材料予以增強(qiáng)。適用于航空航天、汽車(chē)、消費(fèi)品、體育用品和醫(yī)療領(lǐng)域潛在應(yīng)用的高品質(zhì)3D打印零部件的定制化。這些復(fù)合材料可度身定制，使其具備非凡的韌性、耐候性、減震性能、不易燃性、高耐磨性和高強(qiáng)度重量比。

　　Electroimpact開(kāi)發(fā)的AFP（AutomatedFiberPlacement）超薄碳纖維層鋪疊技術(shù)，碳纖維打印設(shè)備很精細(xì)，但價(jià)格也非常昂貴，設(shè)備有著一個(gè)長(zhǎng)達(dá)6.4米（21英尺）的機(jī)械臂，頭部有16個(gè)類(lèi)似于老式縫紉機(jī)上線轱轆的裝置，整個(gè)手臂被架置在12米長(zhǎng)的軌道上，可以圍繞模型運(yùn)動(dòng)進(jìn)行快速打印，大大節(jié)約零部件和原型產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間，降低成本，使用的材料則是兼具堅(jiān)固和輕質(zhì)的碳纖維。