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隨著航空航天斧与、汽車工業(yè)促军、醫(yī)療器械、電子行業(yè)等領(lǐng)域的高速發(fā)展矛郁，傳統(tǒng)的材料已經(jīng)無法滿足當(dāng)前市場需求意苞，這就催生了復(fù)合材料的產(chǎn)生。而將3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料的制造也越來越受歡迎蒜座。根據(jù)IDTechEx報告稱美域，到2030年，復(fù)合材料3D打印市場規(guī)模將達(dá)到17.3億美元叽渡。
通過連續(xù)碳纖維3D打印的樣品茧纵，圖片來自：Anisoprint
復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同材料結(jié)合而成的產(chǎn)物。其中一種材料作為基體酣殊，用于將結(jié)構(gòu)固定在一起郭销，而另一種材料作為增強(qiáng)體，則為產(chǎn)品提供額外的性能锡移。其中呕童，碳釬維、玻璃纖維等纖維材料是最常用的增強(qiáng)材料淆珊，而熱塑性（如ABS或PLA）等材料則常被用作基體材料夺饲。相較于傳統(tǒng)的制造復(fù)合材料的開模、封模和鑄造等工藝施符，3D打印在很大程度上簡化了制造過程往声，減少了人工操作，同時也提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性戳吝。
連續(xù)碳纖維3D打印工作中浩销，圖片來自：Markforged
在材料工程領(lǐng)域，當(dāng)我們談?wù)搹?fù)合材料時骨坑，通常指的是加入增強(qiáng)纖維的復(fù)合材料撼嗓。在3D打印領(lǐng)域，有三種最常用的纖維材料欢唾，分別是碳纖維且警、玻璃纖維和凱夫拉爾纖維。這些復(fù)合纖維能夠提升傳統(tǒng)3D打印零件的強(qiáng)度、剛度阿钞、耐熱性和耐久性杖荤，大大拓展了3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域。接下來篇张，我們將逐一介紹這三種最常見的纖維材料窥吮。
碳纖維復(fù)合材料：
碳纖維是一種由相互連接的碳原子構(gòu)成的材料，形成排列成股的晶體結(jié)構(gòu)胀蹭，能在張力下提供出色的穩(wěn)定性哗搏。因其卓越的強(qiáng)度重量比（為鋁的兩倍），碳纖維被譽為“新材料之王”见丘，在力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色酒危，適用于制造輕巧堅固的零件。
傳統(tǒng)上匀挪，使用熱固性樹脂作為粘合劑败旋，將這些纖維固定成所需的形狀，并在基質(zhì)材料周圍固化炎剿。在3D打印中仁连，有兩種不同的形式：
短纖維被添加到線材中，圖片來自：Markforged
1阱穗，短切纖維：將碳纖維切成小于一毫米的細(xì)片饭冬，混入傳統(tǒng)的熱塑性塑料中進(jìn)行打印。短纖維融入整個基體并能增強(qiáng)部件颇象，這種材料適用于大多數(shù)3D打印機(jī)伍伤。其中并徘，碳纖維的數(shù)量和切碎段的長度會影響零件的強(qiáng)度和質(zhì)量遣钳。
連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合線材，圖片來自：Anisoprint
2麦乞，連續(xù)纖維：在打印過程中將連續(xù)的碳纖維增強(qiáng)束放置在需要加固的地方蕴茴。連續(xù)纖維制造需要兩個不同的噴嘴，首先將連續(xù)纖維涂覆在固化劑中姐直，然后放入通過輔助打印噴嘴擠出的熱塑性基質(zhì)中倦淀。最終纖維形成3D打印部件的主干，而熱塑性塑料則起到表皮的作用声畏。
不同類型的連續(xù)纖維增強(qiáng)填充撞叽，照片來自：Anisoprint
在添加碳纖維后，諸如PLA淤点、PETG劣搪、尼龍、ABS或聚碳酸酯等各種基質(zhì)可以變得更加強(qiáng)大輕巧。然而斟迁，添加量會受纖維使用方式和種類的影響接寥。一般而言，連續(xù)碳纖維3D打印相對于短切碳纖維更強(qiáng)邻因，因為連續(xù)性有助于分散施加的負(fù)荷季础。
典型應(yīng)用
2018年10月，波音公司為777X客機(jī)制作了一個大型的3D打印碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料部件耽暖，長達(dá)3.6米谦选。其原料為添加了20%碳纖維的ABS塑料，采用大型增材制造設(shè)備及垂直層打佑⑴帧（VLP）技術(shù)進(jìn)行制作率偏，展示了3D打印在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。
在最近的案例中蚊患，歐洲第一浙于、世界第四的農(nóng)機(jī)制造商CLAAS通過Markforged的連續(xù)纖維復(fù)合3D打印技術(shù)制造了用于吊起17噸重大型機(jī)車的吊環(huán)，顯示出連續(xù)纖維在工業(yè)領(lǐng)域中的潛力挟纱。
玻璃纖維復(fù)合材料
玻璃纖維材料于1930年問世羞酗，是一種堅固且成本效益高的增強(qiáng)材料。在適當(dāng)?shù)幕纳鲜褂脮r紊服，它可以制造出比ABS強(qiáng)度高十倍的零件檀轨。與碳纖維復(fù)合材料相比，玻璃纖維復(fù)合材料具有較低的剛性和脆性欺嗤。此外参萄，玻璃纖維還具備出色的機(jī)械性能，作為電絕緣體非常有效煎饼，且導(dǎo)熱性較低讹挎。這種材料有多種顏色可選，并且具有較低的收縮率吆玖，可以最大程度地減少零件翹曲的風(fēng)險筒溃。
事實證明，玻璃纖維增強(qiáng)的3D打印線材對于需要強(qiáng)大的機(jī)械性能和耐熱性的工程原型和最終產(chǎn)品零件非常有價值沾乘。
典型應(yīng)用
在2020年10月条舀，Moi Composites通過玻璃纖維3D打印制造了一艘名為MAMBO的船，長6.5米杰赴，寬2.5米喇坊，重約800公斤。這是世界上首艘使用連續(xù)玻璃纖維熱固性材料3D打印的真實船只便金。制造過程采用了專利的連續(xù)纖維制造（CFM）技術(shù)知掉，機(jī)器人根據(jù)3D模型逐層沉積熱固性樹脂浸漬的連續(xù)纖維烧乙，展示了連續(xù)纖維在船舶制造中的潛力。
凱夫拉爾纖維
凱夫拉爾醉镇，也被稱為Kevlar或芳綸辱窘，于1971年由杜邦DuPont首次推出，由Stephanie Kwolek首創(chuàng)觉祸。它屬于芳綸纖維類別膝班，是一種極其耐用的材料，通常與多種塑料結(jié)合以制造復(fù)合材料布虾。凱夫拉爾纖維在拉伸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度方面表現(xiàn)出色庇晤，主要用于制造需要承受強(qiáng)烈振動和耐磨性的部件。
凱夫拉爾的強(qiáng)度重量比達(dá)到了鋼的五倍屹蚊，并且具有出色的耐熱性厕氨，高達(dá)400°C。此外汹粤，凱夫拉爾還具有低密度命斧、多功能應(yīng)用和均勻分子結(jié)構(gòu)等特性，有助于制造3D打印的高質(zhì)量零件嘱兼。
典型應(yīng)用
一個引人注目的例子是美國的Aptera Motors使用這種復(fù)合材料3D打印汽車部件国葬，突顯了增強(qiáng)材料在汽車制造業(yè)中的巨大潛力。
目前芹壕，在3D打印連續(xù)碳纖維市場中汇四，主要的參與者包括美國的Markforged、俄羅斯的Anisoprint踢涌。Markforged將其稱為連續(xù)長絲制造(CFF)通孽，而Anisoprint將其稱為復(fù)合纖維共擠(CFC)。此外睁壁，蘇州同異三維也在去年正式將其國產(chǎn)連續(xù)碳纖維3D打印機(jī)進(jìn)行了商業(yè)化，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的技術(shù)空白返雷。
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