新的3D打印技術可以生產(chǎn)無支撐碳纖維零件

2022年6月2日， 南極熊獲悉，Colorado State大學的研究人員，開發(fā)了一種無需支撐結構，也可制作碳纖維增強復合材料部件的新3D打印方法。

△正面聚合3D打印方法，可以產(chǎn)生自由形式和支撐結構

該技術依賴于一種專門開發(fā)的熱固性樹脂，和一種稱為正面聚合的獨特固化工藝，即打印過程中，可實現(xiàn)材料在擠出時固化。采用這種方法，獲得的部件在沒有任何外部紫外線或紅外線輻射的情況下，幾乎被立即打印出來。重要的是它們具有剛性，能夠在沒有支撐的情況下依然保持原始的幾何形狀。

這種新方法，使得3D打印復合結構具有零空隙率的特點，并且碳纖維增強材料具有高度定向性，具有出色的機械性能。

用于復合3D打印的熱固性樹脂
對于那些需要使用3D打印復合材料部件的人來說，這是一個好消息。它既可以加工短切纖維材料，也可以加工長連續(xù)纖維材料。

雖然復合長絲是最容易獲得和最容易使用的，但由于使用溫度低、層間力學性能差、空隙率大和纖維體積相對較低，由此產(chǎn)生的部件在應用于高性能結構時有一定的欠缺。

根據(jù)Colorado團隊的說法，他們在纖維填充的熱固性復合樹脂中找到了解決方案。這些低粘度、熱敏性材料，可以通過直接墨水書寫擠出，通常比FFF長絲材料具有更好的熱機械性能。但問題在于，熱固性材料歷來受到固化速率相關的問題困擾。

通常，人們使用紫外線或可見光固化3D打印的熱固性樹脂，但光固化變體缺乏高固化速率來保持原始打印的幾何形狀，它們在硬化之前會下垂并需要支撐。它們也不能與不透明或高纖維填充墨水集成。

或者，采用熱固化工藝，但這需要非常高的環(huán)境溫度條件。就目前來看，在使用3D打印無支撐自由形狀幾何時，這些方法都沒有被證明是可行的。

△正面聚合在起作用

無支撐解決方案
正面聚合固化技術解決了固化率低的問題，但它是如何工作的呢？在本研究中，該團隊創(chuàng)造了基于DCPD（雙環(huán)戊二烯）的熱固性樹脂，填充了短碳纖維。

樹脂的固化會在局部使用熱刺激開始。首先加熱打印床，然后，啟動一個自我維持的放熱反應，從而啟動打印路徑，就像一根炸藥棒上點燃的保險絲一樣。最終實現(xiàn)，復合樹脂在沉積時就地固化。

△自我維持的放熱反應，沿打印部件向上傳播，沿途用熱量固化材料

換一種解釋來說，就是通過將打印速度，與前端速度（放熱反應的傳播速度）精確匹配，可實現(xiàn)完全無支撐的自由形狀結構，并立即硬化。

除了大大提高機械性能外，還發(fā)現(xiàn)添加碳纖維可以增強復合樹脂的流變行為和導熱性。該團隊認為，他們的正面聚合3D打印技術，最終可以應用于各種增強纖維類型，甚至顆粒添加劑等。

△該研究的更多細節(jié)可以在題為“正面聚合3D打印短碳纖維，增強熱固性聚合物復合材料”論文中找到

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c02076#

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