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復(fù)合3D打印相關(guān)知識(shí)

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復(fù)合3D打印材料是至少兩種不同材料結(jié)合的產(chǎn)物。其中一種材料作為基體，用于將結(jié)構(gòu)固定在一起，另一種材料作為增強(qiáng)元素，提供額外的性能。復(fù)合材料的目的是增加基體材料的積極性能，并在必要時(shí)中和其消極性能。通過在基體材料中添加相應(yīng)增強(qiáng)材料的特性，基體材料可獲得更好的機(jī)械特性、不同的顏色、耐火性、穩(wěn)定性、承重能力等。復(fù)合材料大致可按其材料特性（金屬、礦物、陶瓷、有機(jī)）或幾何形狀加以區(qū)分。根據(jù)其幾何特性，可分為：

1、顆粒復(fù)合材料

2、纖維復(fù)合材料（短纖維、長纖維或連續(xù)纖維）

3、層狀復(fù)合材料

4、滲透復(fù)合材料

纖維復(fù)合材料在材料工程中特別受歡迎，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S材料在某些方向上得到增強(qiáng)。碳纖維可能是市場(chǎng)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(fù)合材料的性能

用于增材制造的增強(qiáng)材料通常是基于尼龍的，但也有ABS、PLA、PC和PETG。目前，3D打印中最常用的復(fù)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(zhì)但堅(jiān)固的零件方面具有優(yōu)勢(shì)。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(qiáng)材料有多種類型：短纖維、長纖維或連續(xù)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(tǒng)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(xù)纖維的增強(qiáng)。連續(xù)纖維復(fù)合材料的制造過程不像短纖維那么簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鼈冊(cè)跀D出時(shí)必須連續(xù)嵌入熱塑性塑料中。還可以使用設(shè)計(jì)技術(shù)(DfAM)應(yīng)用纖維，優(yōu)化零件的強(qiáng)度重量比和材料消耗。制造商聲稱連續(xù)纖維增強(qiáng)材料可以使零件像金屬一樣堅(jiān)固。

采用碳纖維增強(qiáng)材料的3D打印零件，實(shí)現(xiàn)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(fù)合材料

在增材制造中，復(fù)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(guān)注。例如，弗勞恩霍夫研究所正在測(cè)試金屬化合物的激光金屬沉積(LMD)。這凸顯了復(fù)合材料增材制造的市場(chǎng)趨勢(shì)。我們還期望未來看到更多能夠使用復(fù)合材料進(jìn)行打印的技術(shù)。

該技術(shù)根據(jù)所選復(fù)合材料的類型而有所不同。短纖維復(fù)合材料可以使用普通的FDM工藝擠出，因?yàn)殚L絲已經(jīng)含有纖維。然而，必須考慮到打印質(zhì)量受到所用纖維數(shù)量的影響。短纖維復(fù)合材料均勻地增強(qiáng)了整個(gè)部件。然而，超過一定閾值后，3D打印部件的表面質(zhì)量就會(huì)下降。另一方面，連續(xù)纖維3D打印是一個(gè)更復(fù)雜的過程，需要兩個(gè)噴嘴同時(shí)打印。通常，一個(gè)噴嘴擠出熱塑性塑料，另一個(gè)噴嘴擠出纖維。以這種方式工作的打印機(jī)的一個(gè)例子是Mark Two，來自Markforged。該機(jī)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(shí)對(duì)部件進(jìn)行加固。

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

（照片來源：Markforged）

在使用復(fù)合材料進(jìn)行FDM 3D打印時(shí)，通常需要更大直徑的噴嘴。通常制造商會(huì)指定應(yīng)進(jìn)行哪些調(diào)整。對(duì)于玻璃纖維，噴嘴直徑應(yīng)設(shè)置為至少0.6毫米，對(duì)于碳纖維，噴嘴直徑應(yīng)設(shè)置為0.4毫米，對(duì)于凱夫拉纖維，噴嘴直徑應(yīng)從0.6毫米開始，然后逐漸減小至0.4毫米。如果復(fù)合材料含有木顆粒，則直徑必須設(shè)置在0.6毫米至0.8毫米之間。

另請(qǐng)記住，復(fù)合長絲可能會(huì)導(dǎo)致打印頭、軟管和擠出機(jī)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(duì)于碳、玻璃和凱夫拉纖維長絲。打印時(shí)正確定位線軸以優(yōu)化到擠出機(jī)的路徑并確保它不會(huì)太長也很重要。除了這些注意事項(xiàng)外，由于復(fù)合長絲的粘度較高，還必須降低打印速度。盡管如此，復(fù)合材料具有冷卻時(shí)不收縮的優(yōu)點(diǎn)，因此不太可能產(chǎn)生翹曲等打印錯(cuò)誤。

AREVO的自行車車架采用連續(xù)長絲3D打印技術(shù)制作（照片來源：AREVO）

復(fù)合材料的應(yīng)用

使用增強(qiáng)材料進(jìn)行打印的能力一直是許多3D打印公司和初創(chuàng)企業(yè)的目標(biāo)之一。近年來，我們看到越來越多的機(jī)器和技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用，特別是在航空航天和汽車等領(lǐng)域。如前所述，碳纖維是3D打印中使用最廣泛的復(fù)合材料之一，特別是對(duì)于工作原型、汽車零件和堅(jiān)固而輕質(zhì)的組件等要求苛刻的應(yīng)用。因此，碳纖維復(fù)合材料在體育領(lǐng)域也越來越受歡迎。。精英運(yùn)動(dòng)員正在轉(zhuǎn)向使用碳纖維來制造更輕、更快的自行車。這些優(yōu)勢(shì)也適用于一級(jí)方程式賽車、汽車行業(yè)，甚至網(wǎng)球和賽艇等運(yùn)動(dòng)。

復(fù)合材料市場(chǎng)正在不斷增長，新的材料組合將使新的應(yīng)用成為可能。工程材料探索了添加劑增強(qiáng)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(chuàng)造了第一種金剛石復(fù)合材料。金剛石通常無法用于增材制造，因?yàn)樗病Ｈ欢?，通過制造金剛石復(fù)合材料，該材料的特性可用于許多固體工具（采礦、鉆孔或機(jī)械加工）以及醫(yī)療植入物！