使用碳纤维和玻璃纤维的一种3D打印工艺

3D打印又称为增量制造或增材制造，是以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的打印材料，采用多种方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。美国Impossible Objects （字面意思为“不可能物体”）公司是一家专营3D打印机和3D打印材料的公司，在增量制造和复合材料制造方面取得了领先进展。基于多年的研发，该公司创立了一种称为“复合材料基增量制造”（composite-based additive manufacturing，缩写为CBAM）的技术，据称这是一种全新的工艺，与传统的增量制造技术有着根本的不同。

CBAM技术专为复合材料而设计。其产品强度比其他增量制造技术之产品更高，制造速度更快，该公司的目标是以注塑速度生产世界上最强的3D打印复合材料制件。

材料

CBAM技术据称是唯一一种将碳纤维或玻璃纤维长纤维材料（相对于短纤维或短切纤维而言）与高性能热塑性基体材料相结合以制造复合材料零部件的3D打印工艺。长纤维（长度至少为12 mm的纤维）除了提供尺寸稳定性、耐热性和耐化学性等共性外，还可以显著提高强度、韧性和耐久性。长纤维增强复合材料制件可用来取代成本较低的塑料制件和轻质金属制件，或制造其他方式不可能制成的全新制件。

通过将尼龙和聚醚醚酮等高性能聚合物与碳纤维和玻璃纤维非织造材料（薄毡类纤维片材）相结合，用该公司打印机打印的制件据说比传统3D打印制件强度更高、质量更轻、尺寸精度更高、耐温性能更好，而且其生产制件的速度比传统的熔融沉积成型（FDM）3D打印工艺快10倍。

CBAM工艺可使用多种长纤维材料，包括碳纤维和玻璃纤维，将它们与聚醚醚酮、尼龙 6、尼龙 12、弹性体和大多数其他热塑性塑料搭配，打印成复合材料制品。其他材料也在开发之中。

目前该公司网站上列出的材料组合有：

碳纤维/聚醚醚酮；

碳纤维/尼龙12；

玻璃纤维/聚醚醚酮；

玻璃纤维/尼龙12。

图1为碳纤维/PEEK、玻璃纤维/PEEK打印的制品。

图1 用碳纤维/PEEK、玻璃纤维/PEEK打印的制品

打印过程

该公司的打印机使用高速喷墨打印方法生产高性能复合材料器件，无需模具或凌乱的树脂。

打印步骤如下：

把长纤维（12 mm以上）构成的片材送入打印机中；

使用清洁打印流体和热喷墨技术把CAD切片得出的分层形状打印到纤维片材上；

把聚合物粉末施加到纤维片材上；

排除多余粉末，逐层重复打印，打印完所有层数；

把打印好的片材堆积，加热到聚合物熔点，并加压固结制件至设计高度；

通过机械或化学处理除去未粘结的纤维，获得最终制件。

图2为CBAM-2打印机。

图2 CBAM-2打印机（来源：Impossible Objects）

应用行业

◆汽车

玻璃纤维/尼龙、碳纤维/聚醚醚酮这样的材料组合具有很高的比强度，可提高汽车的燃料经济性。

CBAM-2打印机的速度已经是当今最快的3D打印机之一。展望未来，它的速度可以满足汽车行业的高产量需求。

◆航空航天

每增加一些质量，运营成本就会大幅增加。该公司的打印机利用长碳纤维来减轻航空器件的质量，同时保持强度和完整性。打印机拥有多种材料组合，包括碳纤维/聚醚醚酮，可打造多种类型和功能的制件。

◆军事和防卫

玻璃纤维/尼龙、碳纤维/聚醚醚酮这样的材料组合具有很高的比强度，而且能够耐受最苛酷的环境和用途。

◆工业制造

该公司的3D打印机适用于各种几何形状和材料类型，具有极高的多功能性和灵活性。

碳纤维/聚醚醚酮：一种强度极高的材料，可以承受很高的温度。

玻璃纤维/尼龙：适于打印的制件范围极广。

与欧文斯科宁联手研制高性能3D打印材料

据2021年5月24日消息，Impossible Objects公司宣布与全球建筑材料和工业材料领先厂商美国欧文斯科宁公司签订协议，为其CBAM技术联合开发新材料。

Impossible Objects公司表示，与欧文斯科宁公司的合作将促成公司以低于其他3D打印工艺的成本生产强度更高的制件。玻璃纤维复合材料在3D打印制件方面具有重要优势，包括比铝更高的比强度、更低的成本、优异的高温性能和更强的耐化学性。降低材料成本对于扩大3D打印的应用非常重要。研究表明，3D打印所用材料的单位重量成本比传统制造材料的成本高出8倍之多。

欧文斯科宁公司复合材料业务部战略营销副总裁Chris Skinner说：“我们力求在复合材料的新技术和新用途方面走在前列。我们发现，Impossible Objects公司的技术对于把复合材料扩展到某些用途方面具有潜在的变革意义。因为我们相信它能够成功并为市场和客户提供价值，我们已经签订了一项联合协议，以支持其进一步开发。”

Impossible Objects公司董事长暨创始人Robert Swartz说：“与欧文斯科宁的合作将使我们能够快速试验和精化新材料，以显著降低成本，并为3D打印带来前所未有的选择。”

双方认为，将Impossible Objects公司的CBAM工艺与欧文斯科宁公司的玻璃纤维非织造布制造能力相结合，能够使CBAM工艺扩大到工业规模，使其能够与其他大批量制造方法（如注塑）竞争。CBAM工艺可以避免注塑工艺的长交货时间和模具成本，同时实现制件的大规模定制。CBAM还能使零件整合，从而降低装配成本。

欧文斯科宁是最新一家与Impossible Objects公司联手推动CBAM工艺发展的材料供应商。2019年5月，巴斯夫化工公司首次与Impossible Objects合作，用3D打印技术制造高性能碳纤维/PA6复合材料制件。同样在2019年，奥地利TIGER Coatings公司开始与Impossible Objects公司合作开发热固性3D打印复合材料。更后来，Impossible Objects公司与英国3D打印专家Ricoh 3D公司结伙，为后者的欧洲客户打印高强轻质的复合材料零部件。