ISO/ASTM 52900 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)增量制造（3D 打印）的定義是：用 3D 模型數(shù)據(jù)來(lái)連接材料使其成為制品的過(guò)程，通常是疊層成形。增量制造過(guò)程使用塑料、金屬、陶瓷、玻璃或復(fù)合材料來(lái)制造物理模型、原型、樣板、模具構(gòu)件和批量生產(chǎn)器件。3D 打印包括 7 種不同的工藝。制件通過(guò)擠出、噴射、光固化、層合或熔結(jié)的方式制成。
3D 打印作為一種數(shù)字制造方式，每年的市場(chǎng)規(guī)模和發(fā)展速度都在成倍數(shù)地增長(zhǎng)，它涉及到計(jì)算機(jī)、機(jī)械，其中重要的影響因素是先進(jìn)的材料科學(xué)，尤其是復(fù)合材料對(duì)增材制造自動(dòng)化的影響。數(shù)據(jù)表明，到 2026 年全球用于 3D打印的復(fù)合材料收入將超過(guò) 5 億美元，未來(lái)十年內(nèi)復(fù)合材料將成為 3D 打印主要的市場(chǎng)機(jī)遇。
3D 打印被業(yè)內(nèi)視為一種將生產(chǎn)流程簡(jiǎn)化和自動(dòng)化的方法，它保全了纖維復(fù)合材料在重量?jī)?yōu)化和強(qiáng)度方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)聚合物 3D 打印行業(yè)而言，3D打印的復(fù)合材料部件代表了一種更直接指向工業(yè)終端部件生產(chǎn)的途徑，包括用于輕量化飛機(jī)和汽車的大型復(fù)雜幾何部件。
目前，能使用復(fù)合材料的 3D 打印技術(shù)主要有 2 種，分別是熔融沉積（FDM）和粉床熔融（PBF），而后者主要指選擇性激光燒結(jié)（SLS）。
3D 打印材料：與金屬的較量
復(fù)合材料通常被預(yù)示為未來(lái)的材料。它們的強(qiáng)度、性能比任何其他材料都具有令人難以置信的優(yōu)勢(shì)。伴隨著波音 787、空中客車 A350 和寶馬 i 系列的閃亮登場(chǎng)，復(fù)合材料正在成為一種主流制造的方式。然而，金屬工業(yè)仍然是復(fù)合材料行業(yè)持續(xù)成功和增長(zhǎng)的巨大威脅。美鋁公司（Alcoa）的第三代鋁 -鋰合金已經(jīng)令許多公司舍棄了復(fù)合材料，這些合金被用于各種新的航空航天項(xiàng)目?？紤]到僅在過(guò)去幾年中，復(fù)合材料大規(guī)模生產(chǎn)線已成為可能，這些金屬的向前飛躍可能對(duì)復(fù)合材料不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)滲透率構(gòu)成威脅。
3D 打印是金屬與復(fù)合材料競(jìng)爭(zhēng)的另一個(gè)領(lǐng)域。金屬 3D 打印已經(jīng)運(yùn)作得相當(dāng)好，適用于各種合金；但目前幾乎沒(méi)有復(fù)合材料 3D 打印技術(shù)的任何指標(biāo)，復(fù)合材料在性能上還無(wú)法與最好的金屬材料所提供的性能相媲美，更不用說(shuō)類似于帶狀鋪疊的東西。在過(guò)去的十年中，金屬 3D 打印的研究一直在進(jìn)行，這也令其在航空航天及其他領(lǐng)域，如高性能汽車等行業(yè)的應(yīng)用獲得諸多進(jìn)展。當(dāng)使用固體棒為原料時(shí)，目前鈦 3D 打印機(jī)可以實(shí)現(xiàn)與機(jī)加工鈦相當(dāng)?shù)男阅埽M管這些部件需要一定程度的后加工，但是它們對(duì)于加工復(fù)雜的高強(qiáng)度部件來(lái)說(shuō)是有效的。選擇性激光燒結(jié)（SLS）打印機(jī)使用粉狀原料，消除了這一加工步驟，使它們能夠提供足夠精確的元件，如 CFM 的 LEAP 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴嘴，但是這種粉末工藝又有諸如孔隙率的其他缺點(diǎn)。
一臺(tái)完全功能的碳纖維 3D 打印機(jī)應(yīng)該能夠生產(chǎn)復(fù)雜、詳細(xì)和強(qiáng)大的部件，大大超過(guò)了加工鋁和 3D 打印金屬的能力，其成本在兩者之間，同時(shí)允許用戶使用全新的 CFRP（碳纖維增強(qiáng)聚合物）結(jié)構(gòu)來(lái)定制其性能。復(fù)合原料比一些金屬 3D 打印機(jī)所使用的精確粉末合金便宜，并且加熱熱塑性或反應(yīng)性聚合物所需的能量遠(yuǎn)低于熔化金屬所需的能量。由于在這一領(lǐng)域有限的投資和工程上的挑戰(zhàn)，而非任何固有的物理限制，復(fù)合材料的這種潛力尚未實(shí)現(xiàn)。
金屬是各向同性的，這意味著它們?cè)谒蟹较蛏系男再|(zhì)是一致的，完全表征它們的彈性狀態(tài)可以通過(guò)兩個(gè)特性：楊氏模量和泊松比。另一方面，復(fù)合材料是各向異性的，并且需要更多數(shù)量的常數(shù)來(lái)描述它們的彈性行為。如果有人認(rèn)為，在一個(gè)共同的基準(zhǔn)下，當(dāng)一種3D 打印材料勉強(qiáng)在單向拉伸試驗(yàn)中擠掉了一些特殊的鋁合金，就認(rèn)為它“比金屬?gòu)?qiáng)”，這種比較變得更加有問(wèn)題。金屬具有相似的抗壓強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，而復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其抗拉強(qiáng)度。復(fù)合材料的各向異性也與拉伸、壓縮和剪切載荷的組合等各種其它靜態(tài)強(qiáng)度性能相關(guān)。可以說(shuō)，在 3D 打印領(lǐng)域，這兩種材料各有所長(zhǎng)。
3D 打印技術(shù)：熔融沉積（FDM）和粉床熔融（PBF）
熔融沉積（FDM）
熔融沉積成形工藝（FDM）是普及最廣的 3D 打印技術(shù)，主要使用 ABS、PLA 等材料，其工作原理是將 ABS、PIA 等材料通過(guò)加熱熔化，再凝固成形。材料通過(guò)擠出機(jī)構(gòu)被送進(jìn)熱熔噴頭，在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭根據(jù)集成化電路系統(tǒng)，讓噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將半熔融狀態(tài)的材料按軟件分層數(shù)據(jù)控制的路徑，擠出并沉積在指定的位置凝固成形，與周圍的材料粘結(jié)，層層堆積成形。
粉床熔融（PBF）
粉床熔融（PBF，選擇性激光燒結(jié) SLS），選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering）技術(shù)由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的 C.R. Dechard 發(fā)明，主要是利用粉末材料在紅外激光照射下高溫?zé)Y(jié)的基本原理，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制光源定位裝置實(shí)現(xiàn)精確定位，然后逐層燒結(jié)堆積成型。先用鋪粉滾軸鋪一層粉末材料，通過(guò)打印設(shè)備里的恒溫設(shè)施將其加熱至恰好低于該粉末燒結(jié)點(diǎn)的某一溫度，接著激光束在粉層上照射，使被照射的粉末溫度升至熔化點(diǎn)之上，進(jìn)行燒結(jié)并與下面已制作成形的部分實(shí)現(xiàn)黏結(jié)。當(dāng)一個(gè)層面完成燒結(jié)之后，打印平臺(tái)下降一個(gè)層厚的高度，鋪粉系統(tǒng)為打印平臺(tái)鋪上新的粉末材料，然后控制激光束再次照射進(jìn)行燒結(jié)，如此循環(huán)往復(fù)，層層疊加，直至完成整個(gè)三維物體的打印工作。
近些年，有一些公司在 3D 打印方面取得了獨(dú)特的和突破性的發(fā)展。例如，美國(guó)辛辛那提公司與美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室共創(chuàng)了“大面積增量制造”體系，打印速度達(dá)到 45-48kg/h。適用于復(fù)合材料的大規(guī)模制造。美國(guó)EnvisionTEC 公司研發(fā)中小型打印體系，能夠打印玻璃纖維增強(qiáng)高強(qiáng)度塑料。美國(guó) Markforged 公司推出了世界上第一
種商業(yè)化 3D 打印機(jī)，可用連續(xù)碳纖維、芳綸纖維或玻璃纖維打印制品。同樣，美國(guó) Arevo 公司研制了增量制造體系，能夠打印連續(xù)纖維增強(qiáng)材料和熱塑性基體的復(fù)合材料。
用于 3D 打印的復(fù)合材料
玻璃纖維復(fù)合材料供應(yīng)商歐文斯科寧 Owens Corning 的 XSTRAND™ 系列材料可用于 FFF / FDM 3D 打印機(jī)，其強(qiáng)度和韌性高于碳纖維填充 ABS、純PP 和標(biāo)準(zhǔn) PA6。歐文斯科寧 3D 打印玻璃纖維復(fù)合材料主要包括 GF30-PP 和GF30-PA6 兩種：GF30-PP 是一種增強(qiáng)聚丙烯絲材，其玻璃纖維含量為 30%，具有很高的硬度，并能抵抗溫度變化、耐化學(xué)品腐蝕，耐紫外線老化。
GF30-PA6 是一種增強(qiáng) PA6 尼龍絲材，玻璃纖維含量為 30%，特點(diǎn)是高強(qiáng)度和耐高溫。由于耐磨性高，GF30-PA6 可以用來(lái)替代汽車生產(chǎn)線上使用的鋼制夾具和固定裝置。此外，GF30-PA6 適合應(yīng)用的溫度范圍在 -20℃至120℃。
此外，增材制造技術(shù)領(lǐng)域的專家Stratasys 公司用于 FDM 3D 打印技術(shù)的尼龍 12CF 材料，含有多達(dá) 35% 的碳纖維，因此各種屬性都非常優(yōu)異，比如最終拉伸強(qiáng)度為 76 兆帕（MPA），拉伸模量為7529兆帕，抗彎強(qiáng)度為142兆帕，足以在許多應(yīng)用中取代金屬，非常適合汽車、航空航天等行業(yè)。這種碳纖維增強(qiáng)熱塑性材料，用于生產(chǎn)
高性能原型，能夠在設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程中經(jīng)受生產(chǎn)零件的嚴(yán)格測(cè)試滿足生產(chǎn)環(huán)境的苛刻要求，并可應(yīng)用于生產(chǎn)線上的夾具制造。
Stratasys 還與邁凱輪建立了合作伙伴關(guān)系。這一合作伙伴關(guān)系已經(jīng)取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，包括邁凱倫的一級(jí)方程式賽車上已經(jīng)安裝了一些 3D 打印制造的部件。
陶氏杜邦公司在Formnext展會(huì)上，推出了新的玻璃和碳纖維增強(qiáng) 3D 打印耗材絲。原本處于競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的陶氏化學(xué)和杜邦合并之后，在 3D 打印耗材行業(yè)中動(dòng)作不斷，發(fā)揮材料方面的優(yōu)勢(shì)搶占市場(chǎng)。杜邦 Zytel 3D 打印專用尼龍材料本身就是一種高性能、強(qiáng)度好的耗材，改性的新材料 Zytel 3D12G30FL BK309和 Zytel 3D10C20FL BK544 則進(jìn)一步提升強(qiáng)度，可與現(xiàn)有的增強(qiáng)注塑相媲美。新的耗材絲是為了滿足工業(yè)對(duì)更硬和更堅(jiān)固材料的需求而開(kāi)發(fā)的。
索爾維近期推了出 10% 碳纖填充的 KetaSpire® PEEK（聚醚醚酮）及純Radel®PPSU（聚苯砜）材料，適用于e-Xstream engineering 公司最新發(fā)布的Digimat®-AM（增材制造）軟件（2019.0）。索爾維在現(xiàn)有的純KetaSpire® PEEK AM材料基礎(chǔ)上，擴(kuò)充了適用于 e-Xstream engineering 公司 Digimat®-AM 軟件的線材產(chǎn)品種類。
近期部分應(yīng)用案例
3D 打印的混凝土復(fù)合材料最新技術(shù)
美國(guó)陸軍工程師研發(fā)出了一種新型復(fù)合材料，可用作混凝土 3D 打印。值得一提的是，利用這種材料可以打印出更堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，并且大大縮短了生產(chǎn)時(shí)間。
以前使用普通混凝土進(jìn)行 3D 打印，但是由于含有沙子、沙礫和石塊等材料，容易堵塞機(jī)器。為了解決這個(gè)問(wèn)題，美國(guó)國(guó)防部下屬的陸軍工程兵團(tuán)（USACE）創(chuàng)建了一種含有各種元素的粘合劑，使得 3D 打印建筑物更有效。
混凝土有兩種主要組成部分：固體混合物和液體混合物。一層固體混合物由粘土、煤灰（煤粒）和硅灰組成，然后結(jié)合沙子、礫石、石頭等材料與粘合劑混合形成完全固體混合物。粘合劑增加了流動(dòng)時(shí)間并改善了混凝土凝固時(shí)間。液體混合物包括常用于混凝土中的化學(xué)品和液體，以改善其流量和粘度，達(dá)到實(shí)現(xiàn)快速泵送的目的，其中還包括干燥時(shí)減少開(kāi)裂和尺寸收縮的化學(xué)制品，以及用于降低混合物糊化性的增塑劑。
由于有了這種新型粘合劑，混凝土拌合物不需要進(jìn)行改造，就能具有更理想的性能。根據(jù) USACE 的說(shuō)法，它還可以提供很高的強(qiáng)度，十分適用于制造強(qiáng)度要求較高的網(wǎng)格層。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)將用上 3D 打印復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件
牛津性能材料公司 Oxford Performance Materials（OPM） 為 CST-100“星際客機(jī)”太空飛船（波音和NASA 合作研制的專門(mén)執(zhí)行空間近地短途運(yùn)輸任務(wù)）供應(yīng) 3D 打印零件，該零件為大型、復(fù)雜的復(fù)合材料承載結(jié)構(gòu)件。在這之前，OPM 公司已經(jīng)為波音 CST-100 空氣新生系統(tǒng)制造了 3D 打印復(fù)合材料結(jié)構(gòu)承載管道零件。
牛津性能材料開(kāi)發(fā)了 OXFAB 3D系列打印材料：OXFAB-N 和 OXFABESD。由于其惰性特點(diǎn)，OXFAB 具有高度耐化學(xué)性和耐熱性以及定制電性能的能力，同時(shí)抵抗火焰和輻射，這對(duì)于高性能的航空航天和工業(yè)零部件十分關(guān)鍵。通過(guò)鍍鎳工藝，牛津性能材料發(fā)現(xiàn)新材料可以達(dá)到介于鈦合金與高性能航空鋁的性能。經(jīng)過(guò)范圍廣泛的機(jī)械試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，OXFAB 可以用于 3D 打印功能完整的、可直接使用的零部件。
制造過(guò)程中，OPM 公司利用具有抗熱及支撐高機(jī)械載荷的能力高性能碳纖維短纖維增強(qiáng)的熱塑性聚醚酮酮（PEKK），采用增材工藝制造的該零件。該零件是激光燒結(jié) 3D 打印成形，將短的碳纖維摻入到 PEKK 中，極大增強(qiáng)熱塑性材料強(qiáng)度并使其具有傳導(dǎo)性。公司下一步計(jì)劃將該技術(shù)應(yīng)用于民用飛機(jī)，最初應(yīng)用目標(biāo)是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上的推力轉(zhuǎn)向葉柵和風(fēng)扇出口導(dǎo)向葉片，這些零件為次承力結(jié)構(gòu)件，相比傳統(tǒng)手工鋪放工藝可節(jié)省 50% 成本，且節(jié)省勞動(dòng)力和某些加工步驟。
OPM 公司還希望通過(guò)回收增材工藝過(guò)程中未使用的粉末以減少成本。實(shí)際制造中，在每次運(yùn)行中只使用了 10%到 12% 粉末，其他 85% 以上未曾使用的粉末可以進(jìn)行回收，目前公司具有回收一次的能力，正在與其他公司研究開(kāi)發(fā)回收三次乃至更多次的技術(shù)能力。（文章來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）
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