一文全面剖析2020年復(fù)合材料3D打印強(qiáng)勢增長趨勢

來源：3D科學(xué)谷

復(fù)合材料（或稱之為纖維增強(qiáng)塑料）因其令人難以置信的材料性能而廣受歡迎。碳纖維是其中一個(gè)例子，它提供了高強(qiáng)度重量比。如果想要更好的韌性、耐磨性和導(dǎo)電性能，則可以添加其他纖維。在這方面，如何實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的復(fù)合材料是推動3D打印進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的一大關(guān)鍵因素。

復(fù)合材料的3D打印在2020年將出現(xiàn)三大趨勢。一是我們將繼續(xù)看到流程和系統(tǒng)的工業(yè)化，硬件與軟件發(fā)展的結(jié)合將更加支持大批量生產(chǎn)。二是對系統(tǒng)進(jìn)行更多的傳感控制，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)過程控制-熱，尺寸和光學(xué)傳感可提高過程公差。三是用于提高3D打印操作效率的新軟件（例如，預(yù)處理工作流程，作業(yè)管理等）更加成熟，從而更深入的用于多材料零件的新設(shè)計(jì)和仿真。

正如3D科學(xué)谷在《3D打印發(fā)展趨勢及中國市場的機(jī)遇與挑戰(zhàn)》白皮書中所談到的，復(fù)合材料的加工以快速、可靠、低成本的發(fā)展趨勢，正在成為一種主流制造技術(shù)。本期，結(jié)合復(fù)合材料的3D打印在設(shè)備、材料、工藝領(lǐng)域全面發(fā)力的態(tài)勢，3D科學(xué)谷與谷友一起來感受復(fù)合材料3D打印所醞釀的發(fā)展勢能，以及在2020年的發(fā)展趨勢。

ProM IS 500 3D打印機(jī)在工廠車間的渲染效果圖。來源：Anisoprint

設(shè)備發(fā)展

熔融沉積工藝

▏更大、更快、更強(qiáng)

在走向更大、更快的碳纖維復(fù)合材料打印之路上，美國國家橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室ORNL無疑是話題中的主角，包括其與英格索爾打造的世界最大的3D打印機(jī)——龍門式帶銑削功能的混合增材制造設(shè)備。

除了英格索爾這些大型復(fù)合材料設(shè)備制造商，值得關(guān)注的是Markforged創(chuàng)建了世界上集塑料、金屬和復(fù)合材料為一體的3D打印機(jī)生態(tài)系統(tǒng)。其中，桌面設(shè)備Mark Two和工業(yè)級Markforged X7除了應(yīng)用傳統(tǒng)的熔融沉積成型技術(shù)外，還采用連續(xù)纖維制造技術(shù)，可以同時(shí)打印尼龍，Onyx和碳纖維，玻璃纖維，凱夫拉等纖維材料，打印零部件的硬度可替代鋁部件。

直寫工藝

▏強(qiáng)于鋼件

早在2017年，勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室-LLNL的研究人員已經(jīng)成功3D打印航天級碳纖維復(fù)合材料，成為第一個(gè)這樣做的研究實(shí)驗(yàn)室。被描述為“終極材料”的碳纖維復(fù)合材料開辟了創(chuàng)造輕量化、強(qiáng)于鋼件的可能性。LLNL的研究發(fā)表在Nature自然雜志上，科研人員研發(fā)的碳纖維復(fù)合材料微擠壓3D打印技術(shù)，使得材料獲得了令人難以置信的性能，結(jié)合機(jī)械性能、密度和耐溫性，特別適合嚴(yán)苛環(huán)境下的運(yùn)行。而對于復(fù)雜形狀的生產(chǎn)，則是3D打印與生俱來的優(yōu)勢。

通常，碳纖維復(fù)合材料是由纏繞在心軸上的長絲或?qū)⑻祭w維編織在一起制成的。這些方法，在某些情況下是有效的，但碳纖維只是被制成扁平或圓柱形的形狀。

LLNL的工藝被稱為改進(jìn)型直接墨水書寫（DIW），也被稱為robocasting。研究人員開發(fā)出一種新的、專利的化學(xué)過程，能在幾秒鐘內(nèi)固化材料。LLNL的高性能計(jì)算能力能準(zhǔn)確地預(yù)測碳纖維絲流情況。

新型聚合

▏能耗低+零件強(qiáng)度高

前沿技術(shù)的發(fā)展方面，值得關(guān)注的是伊利諾伊大學(xué)的一個(gè)研究小組研究的一個(gè)名為Frontal Polymerization（FP）的新型聚合物固化工藝的開發(fā)，該工藝可以顯著降低固化過程中能量的消耗。這項(xiàng)研究還發(fā)表在自然雜志上（journal Nature）。FP聚合工藝可用于為汽車和航空航天領(lǐng)域生產(chǎn)強(qiáng)度高、耐熱的部件，能夠使用比現(xiàn)有系統(tǒng)低10個(gè)數(shù)量級的能量來固化聚合物，并可將生產(chǎn)時(shí)間縮短兩個(gè)數(shù)量級。這項(xiàng)工藝標(biāo)志著近半個(gè)世紀(jì)以來可能成為高性能聚合物和復(fù)合材料制造業(yè)的第一次重大進(jìn)步，一直以來用于制造飛機(jī)和汽車的材料需要具有優(yōu)異的熱性能和機(jī)械性能，但制造過程在時(shí)間、能量和環(huán)境影響方面都很昂貴。伊利諾伊大學(xué)的目標(biāo)是減少能量消耗并提高產(chǎn)量。

在復(fù)合材料的3D打印領(lǐng)域，除了老牌的設(shè)備廠商（延伸閱讀：碳纖維復(fù)合材料打印之風(fēng)吹到國內(nèi)了嗎？）以及層出不窮的新制造工藝，還涌現(xiàn)了眾多創(chuàng)業(yè)企業(yè)，包括Anisoprint，AddiFab和Collider 等初創(chuàng)公司開發(fā)混合制造方法，以期顛覆傳統(tǒng)制造。

材料發(fā)展

在材料領(lǐng)域，包括牛津性能材料所提供的碳纖維增強(qiáng) PEEK材料，歐文斯科寧-Owens Corning的 玻璃纖維增強(qiáng)塑料已在應(yīng)用領(lǐng)域獲得認(rèn)可。

一個(gè)新的發(fā)展趨勢是，材料廠商越來越重視與3D打印服務(wù)提供商，與仿真合作伙伴的合作。

微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

▏材料+打印

為了實(shí)現(xiàn)高分辨率的3D打印復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)，典型的合作是漢高與3D打印公司Fortify聯(lián)手推動高性能應(yīng)用，F(xiàn)ortify正在通過其專利的DCM平臺改變3D打印行業(yè)，該平臺通過引入對齊的增強(qiáng)纖維來提供更高水平的零件性能。這項(xiàng)增材制造技術(shù)將磁學(xué)和DLP（數(shù)字光處理）相結(jié)合，可在高分辨率的3D打印復(fù)合零件中生產(chǎn)定制的微結(jié)構(gòu)。與前面提到的連續(xù)纖維不同，短切纖維能夠增強(qiáng)細(xì)小區(qū)域，此外，短切纖維復(fù)合材料比連續(xù)纖維更便宜，更快捷，更易于使用。需要特別注意的是，對于短切纖維，3D打印零部件的強(qiáng)度取決于所用纖維的百分比，并且由于分層效應(yīng)，材料將受到各向異性的困擾。

根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，F(xiàn)ortify開發(fā)了一種基于樹脂的控制增強(qiáng)型聚合物中纖維的方法，可制造出具有各向同性材料特性的復(fù)合材料。雙方合作的解決方案利用了Fortify的Digital Composite Manufacturing（DCM）3D打印技術(shù)，該技術(shù)將增強(qiáng)纖維與漢高的樹脂混合在一起，然后利用磁性材料使纖維對齊，從而在3D打印零件中獲得最佳強(qiáng)度。

軟件公司與材料公司還在攜手打造“First time right”的目標(biāo)：通過仿真結(jié)合材料特征對增材制造過程進(jìn)行模擬和零件性能預(yù)測，從而實(shí)現(xiàn)塑料3D打印領(lǐng)域更加可控的加工結(jié)果。在這方面，典型的合作是DSM與�？怂箍档暮献�。

性能可預(yù)測

▏材料+仿真

DSM的高性能熱塑性解決方案和疲勞破壞機(jī)制的建模方法，以及e-Xstream的精確，便捷的仿真手段的結(jié)合，使用戶有機(jī)會在Digimat中快速迭代建模結(jié)果。通過預(yù)測增強(qiáng)塑料部件的耐久性及其他性能，用戶免除了之前需要幾個(gè)月的迭代過程，而僅僅需要幾個(gè)小時(shí)，通過仿真手段減少試錯(cuò)過程，從而避免了數(shù)百次的反復(fù)測試所帶來的時(shí)間、財(cái)力的浪費(fèi)。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，Digimat仿真的主要價(jià)值包括：使DSM的最終用戶獲得輕量化的產(chǎn)品，降低成本并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，同時(shí)減少材料測試和原型制作要求。

詳細(xì)了解仿真如何助推3D打印復(fù)合材料的發(fā)展，請參考《專欄 l 復(fù)合材料3D打印結(jié)構(gòu)件有限元仿真計(jì)算應(yīng)用淺析》

面向可持續(xù)性發(fā)展，碳纖維和大多數(shù)塑料都是石化燃料所制造的材料，將來將會出現(xiàn)更多的綠色材料減少能源消耗，排放，廢物，化學(xué)污染。可生物降解的材料，例如天然復(fù)合材料，將會出現(xiàn)。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，一家來自新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)的CHITONOUS的初創(chuàng)公司，致力于將大規(guī)模生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展的生物材料相結(jié)合，使循環(huán)和可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)模式成為一種制造優(yōu)勢。

國內(nèi)進(jìn)步

國內(nèi)，為了實(shí)現(xiàn)更好的復(fù)合材料性能，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所增材制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室許高杰團(tuán)隊(duì)針對高性能工程塑料3D打印技術(shù)開展了一系列研究工作。選取了具有高堅(jiān)韌度和抗疲勞特性的半晶態(tài)尼龍12和高強(qiáng)度聚醚酰亞胺作為基體，研究了熔體流變特性對熔融長絲燒結(jié)特性的影響，對高性能工程塑料的3D打印工藝參數(shù)、工業(yè)可用性進(jìn)行了研究。研究人員在工藝研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了尼龍12/氧化石墨烯、尼龍12/碳纖維復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)兩種填料在熔融沉積成型過程中可實(shí)現(xiàn)取向分布，不僅有效提高了產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度（GNPs 7%和CFs 251.1%），還能夠?qū)Ξa(chǎn)品熱導(dǎo)率（提高51.4%）進(jìn)行靈活調(diào)控。

另外一個(gè)案例是，來自中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究團(tuán)隊(duì)使用遠(yuǎn)鑄智能（INTAMSYS）的高性能材料3D打印機(jī)FUNMAT HT對自主研發(fā)的碳纖維PEEK復(fù)合材料進(jìn)行3D打印工藝的系統(tǒng)研究，取得重要科研進(jìn)展。通過在絲材中摻雜碳纖維，并運(yùn)用遠(yuǎn)鑄智能FUNMAT HT機(jī)器研究了垂直打印方向?qū)μ祭w維聚醚醚酮3D打印件彎曲性能的影響，這種垂直方向打印的彎曲樣條具有優(yōu)異的力學(xué)性能，彎曲強(qiáng)度達(dá)到146 MPa，重要的是，還與傳統(tǒng)注塑件具有接近一致的彎曲強(qiáng)度。