使用碳纖維和玻璃纖維的一種3D打印工藝

3D打印又稱為增量制造或增材制造，是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專用的打印材料，采用多種方式逐層堆積，制造出實(shí)體物品的制造技術(shù)。美國(guó)Impossible Objects （字面意思為“不可能物體”）公司是一家專營(yíng)3D打印機(jī)和3D打印材料的公司，在增量制造和復(fù)合材料制造方面取得了領(lǐng)先進(jìn)展?；诙嗄甑难邪l(fā)，該公司創(chuàng)立了一種稱為“復(fù)合材料基增量制造”（composite-based additive manufacturing，縮寫為CBAM）的技術(shù)，據(jù)稱這是一種全新的工藝，與傳統(tǒng)的增量制造技術(shù)有著根本的不同。

CBAM技術(shù)專為復(fù)合材料而設(shè)計(jì)。其產(chǎn)品強(qiáng)度比其他增量制造技術(shù)之產(chǎn)品更高，制造速度更快，該公司的目標(biāo)是以注塑速度生產(chǎn)世界上最強(qiáng)的3D打印復(fù)合材料制件。

材料

CBAM技術(shù)據(jù)稱是唯一一種將碳纖維或玻璃纖維長(zhǎng)纖維材料（相對(duì)于短纖維或短切纖維而言）與高性能熱塑性基體材料相結(jié)合以制造復(fù)合材料零部件的3D打印工藝。長(zhǎng)纖維（長(zhǎng)度至少為12 mm的纖維）除了提供尺寸穩(wěn)定性、耐熱性和耐化學(xué)性等共性外，還可以顯著提高強(qiáng)度、韌性和耐久性。長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制件可用來取代成本較低的塑料制件和輕質(zhì)金屬制件，或制造其他方式不可能制成的全新制件。

通過將尼龍和聚醚醚酮等高性能聚合物與碳纖維和玻璃纖維非織造材料（薄氈類纖維片材）相結(jié)合，用該公司打印機(jī)打印的制件據(jù)說比傳統(tǒng)3D打印制件強(qiáng)度更高、質(zhì)量更輕、尺寸精度更高、耐溫性能更好，而且其生產(chǎn)制件的速度比傳統(tǒng)的熔融沉積成型（FDM）3D打印工藝快10倍。

CBAM工藝可使用多種長(zhǎng)纖維材料，包括碳纖維和玻璃纖維，將它們與聚醚醚酮、尼龍 6、尼龍 12、彈性體和大多數(shù)其他熱塑性塑料搭配，打印成復(fù)合材料制品。其他材料也在開發(fā)之中。

目前該公司網(wǎng)站上列出的材料組合有：

碳纖維/聚醚醚酮；

碳纖維/尼龍12；

玻璃纖維/聚醚醚酮；

玻璃纖維/尼龍12。

圖1為碳纖維/PEEK、玻璃纖維/PEEK打印的制品。

圖1 用碳纖維/PEEK、玻璃纖維/PEEK打印的制品

打印過程

該公司的打印機(jī)使用高速噴墨打印方法生產(chǎn)高性能復(fù)合材料器件，無需模具或凌亂的樹脂。

打印步驟如下：

把長(zhǎng)纖維（12 mm以上）構(gòu)成的片材送入打印機(jī)中；

使用清潔打印流體和熱噴墨技術(shù)把CAD切片得出的分層形狀打印到纖維片材上；

把聚合物粉末施加到纖維片材上；

排除多余粉末，逐層重復(fù)打印，打印完所有層數(shù)；

把打印好的片材堆積，加熱到聚合物熔點(diǎn)，并加壓固結(jié)制件至設(shè)計(jì)高度；

通過機(jī)械或化學(xué)處理除去未粘結(jié)的纖維，獲得最終制件。

圖2為CBAM-2打印機(jī)。

圖2 CBAM-2打印機(jī)（來源：Impossible Objects）

應(yīng)用行業(yè)

◆汽車

玻璃纖維/尼龍、碳纖維/聚醚醚酮這樣的材料組合具有很高的比強(qiáng)度，可提高汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性。

CBAM-2打印機(jī)的速度已經(jīng)是當(dāng)今最快的3D打印機(jī)之一。展望未來，它的速度可以滿足汽車行業(yè)的高產(chǎn)量需求。

◆航空航天

每增加一些質(zhì)量，運(yùn)營(yíng)成本就會(huì)大幅增加。該公司的打印機(jī)利用長(zhǎng)碳纖維來減輕航空器件的質(zhì)量，同時(shí)保持強(qiáng)度和完整性。打印機(jī)擁有多種材料組合，包括碳纖維/聚醚醚酮，可打造多種類型和功能的制件。

◆軍事和防衛(wèi)

玻璃纖維/尼龍、碳纖維/聚醚醚酮這樣的材料組合具有很高的比強(qiáng)度，而且能夠耐受最苛酷的環(huán)境和用途。

◆工業(yè)制造

該公司的3D打印機(jī)適用于各種幾何形狀和材料類型，具有極高的多功能性和靈活性。

碳纖維/聚醚醚酮：一種強(qiáng)度極高的材料，可以承受很高的溫度。

玻璃纖維/尼龍：適于打印的制件范圍極廣。

與歐文斯科寧聯(lián)手研制高性能3D打印材料

據(jù)2021年5月24日消息，Impossible Objects公司宣布與全球建筑材料和工業(yè)材料領(lǐng)先廠商美國(guó)歐文斯科寧公司簽訂協(xié)議，為其CBAM技術(shù)聯(lián)合開發(fā)新材料。

Impossible Objects公司表示，與歐文斯科寧公司的合作將促成公司以低于其他3D打印工藝的成本生產(chǎn)強(qiáng)度更高的制件。玻璃纖維復(fù)合材料在3D打印制件方面具有重要優(yōu)勢(shì)，包括比鋁更高的比強(qiáng)度、更低的成本、優(yōu)異的高溫性能和更強(qiáng)的耐化學(xué)性。降低材料成本對(duì)于擴(kuò)大3D打印的應(yīng)用非常重要。研究表明，3D打印所用材料的單位重量成本比傳統(tǒng)制造材料的成本高出8倍之多。

歐文斯科寧公司復(fù)合材料業(yè)務(wù)部戰(zhàn)略營(yíng)銷副總裁Chris Skinner說：“我們力求在復(fù)合材料的新技術(shù)和新用途方面走在前列。我們發(fā)現(xiàn)，Impossible Objects公司的技術(shù)對(duì)于把復(fù)合材料擴(kuò)展到某些用途方面具有潛在的變革意義。因?yàn)槲覀兿嘈潘軌虺晒Σ槭袌?chǎng)和客戶提供價(jià)值，我們已經(jīng)簽訂了一項(xiàng)聯(lián)合協(xié)議，以支持其進(jìn)一步開發(fā)?！?/p>

Impossible Objects公司董事長(zhǎng)暨創(chuàng)始人Robert Swartz說：“與歐文斯科寧的合作將使我們能夠快速試驗(yàn)和精化新材料，以顯著降低成本，并為3D打印帶來前所未有的選擇。”

雙方認(rèn)為，將Impossible Objects公司的CBAM工藝與歐文斯科寧公司的玻璃纖維非織造布制造能力相結(jié)合，能夠使CBAM工藝擴(kuò)大到工業(yè)規(guī)模，使其能夠與其他大批量制造方法（如注塑）競(jìng)爭(zhēng)。CBAM工藝可以避免注塑工藝的長(zhǎng)交貨時(shí)間和模具成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)制件的大規(guī)模定制。CBAM還能使零件整合，從而降低裝配成本。

歐文斯科寧是最新一家與Impossible Objects公司聯(lián)手推動(dòng)CBAM工藝發(fā)展的材料供應(yīng)商。2019年5月，巴斯夫化工公司首次與Impossible Objects合作，用3D打印技術(shù)制造高性能碳纖維/PA6復(fù)合材料制件。同樣在2019年，奧地利TIGER Coatings公司開始與Impossible Objects公司合作開發(fā)熱固性3D打印復(fù)合材料。更后來，Impossible Objects公司與英國(guó)3D打印專家Ricoh 3D公司結(jié)伙，為后者的歐洲客戶打印高強(qiáng)輕質(zhì)的復(fù)合材料零部件。