3D打印碳纤维增强塑料及复合材料的增材制造与应用分析
2018-12-20郭杰王玉博陆军装甲兵学院
郭杰 王玉博 陆军装甲兵学院
引言：作为与机器人以及人工智能两大技术一起被称为能够推动世界第三次工业革命的重要高科技之一，3D打印技术一方面能够使得传统产品制造途径不可避免的材料损耗问题得以被克服，另一方面又能够采用有针对性的智能化生产途径，来更加有效地满足用户的产品需求，打造出更加精准且高端的产品。简单地来说，3D打印技术的生产过程是通过逐层增加堆积材料来实现的，通过这一步骤，三维实体的产品得以形成，而3D打印技术究其本质而言，是一种增材制造技术。在3D打印技术的三大领域当中，其增强材料技术是其最重要的基础生产链，其重要性不容小觑。
1. 3D打印技术与碳纤维增强塑料及复合材料的结合
碳纤维增强塑料及复合材料与传统的碳纤维材料相比，不仅在强度和韧性方面具有前所未有的优势，其在抗腐蚀和抗疲劳、高温等方面也具备着难以比拟的良好性能，除此之外，这一材料还能够更好地起到导电和导热的作用，同时在环保方面也具备着良好的效果[1]。当前，在人们的生活中，高性能的碳纤维复合材料的身影已经越来越多见，而其和3D打印技术这一高科技的结合，碰撞出的火花更加令许多领域的人才倍感期待。
当前，已有公司发明了3D打印挤出头设计，这一技术如果和碳纤维增强塑料结合起来，其打印出来的复杂零部件不仅相较于传统的产品更加能够抵抗高温等恶劣的环境，还能够为环保事业做出不小的贡献。与此同时，在国外，3D打印的增材制造技术已经能够被广泛应用于碳纤维增强塑料及复合材料当中了，这两者借助于智能化生产技术，能够打造出具有极高的原材料利用率和更低廉的生产成本的产品。因此，不仅航空航天领域广泛采纳这一技术，其他领域诸如新能源汽车开发等领域也在着力于探讨这一技术的推广。
2. 3D打印技术的碳纤维增强塑料及复合材料
当前，主要有四种类型的碳纤维增强塑料及复合材料可被用于3D打印技术。第一种是短碳纤维增强改性工程塑料，这类材料不仅成本低廉，同时具有较高的耐用性，其制备过程也不涉及复杂的技术，因此国外早已将这类增材进行普遍的推广，而国内相比之国外，对此类材料的应用尚处于起步时期。第二种类型的材料是连续碳纤维增强塑料及复合材料，此类材料也已经在国外被成功地开发和应用。第三类材料是连续碳纤维增强复合材料，当前，包括美、德、日等在内的发达国家已经开发出能够将这一材料专门和3D打印技术结合起来的设备，并且逐渐在航空、航天领域推广这一材料的使用。最后一种材料，是连续碳纤维增强纳米复合材料。这一材料和3D打印技术结合起来之后，不仅能够具备自润滑的属性，而且打造出来的产品也具有较高的抗磨损性能，当前，美国在使用这一材料方面所取得的造诣较高。
3. 国外发展情况
接下来全面介绍国外的3D打印碳纤维发展情况。
3.1 Arevo Labs公司
这家公司源于美国硅谷，他们主要的业务是为市场提供能够用于工业途径使用的碳纤维3D打印机。大约三年前，这家企业自主研发了一款机械臂3D打印平台，这一平台不仅能够使用高性能的碳纤维材料来进行复杂部件的打印工作，还能够在很大程度上提高材料的有效使用率，一举多得。
3.2 Impossible Objects公司
这家公司所开发出来的专门用于打印复合材料的3D打印技术，已经申请了相关的专利。这一打印技术的主要方法，是将事先准备好的复合材料，经过层层堆积使他们逐渐成型，接下来，使用打印机内部的热源来对它们进行融合，最后，移除剩下的多余的材料即可。这家公司还曾经尝试过使用包括玻璃纤维等在内的具有高强度的复合材料来进行3D打印，结果显示其成品的强度要远远高于使用热塑性材料打印出来的产品的强度。因为其主要使用的材料是复合材料，因此用户如果有特殊的需求，如需要具有较高的耐热性和耐腐蚀性的产品，则可以在此公司进行专门的定制。除此之外，这家企业的创始人还认为，3D打印技术在增添了打印碳纤维的性能之后，才获得了在更多领域推广的可能性。而Impossible Objects所研发的新的打印工艺，避免了采用传统的塑料部件所带来的性能上的缺陷，而是使用碳纤维布来提高相应的产品质量。
3.3 ElectroImpact
自动纤维铺放设备是这家企业主要提供的3D打印设备。而这一设备之所以能够在打印质量的精细度方面做到有效的提升，主要的原因还是其所采用的技术——超薄碳纤维预浸带自动铺放技术。该设备主要由两大部分组成，其中一个部分是一条机械臂，总长度约在六米左右，另一个部分是十六个安装于其头部的装置，同时，其机械臂安放在一条轨道上，轨道长约十二米。如此一来，这一设备在工作的时候，就能一边快速地转动，一边进行打印，如此一来，打印时间和生产的成本就被大大降低了。
3.4 MarkForged
早在三年前，这家企业就已经推出了一款桌面3D打印机，这款打印机所具备的打印复合材料的功能是全球首推的。这款打印机所需采用的材料只有碳纤维以及其他的复合材料，但是它所打印出来的塑料类部件的质量却丝毫不逊于金属部件。这款机器由两个主要的打印头组成，其中一个可以使用尼龙材料进行打印，而另一个可以使用一些具有较高强度的纤维材料，诸如碳纤维和玻璃纤维等材料进行打印。有了这两个强有力的打印头联合工作，其生产出来的部件甚至在强度上不逊于铝制品。同时，这款打印机由于操作便捷，又能够节省成本，因此为这家公司创造了不菲的收益。
4. 结束语
当前，国内外的3D打印技术都正在如火如荼地发展着，而这一技术作为能够和人工智能比肩的，即将影响未来产业和时代发展的一项重要技术，其深度开发的进程必将会给我国各行各业的发展带来不容小觑的影响。因此，我国必须抓紧机遇，跟上国外的步伐，促进这一3D打印技术在国内的应用和普及。
