3D打印碳纖維增強塑料及復合材料的增材制造與應用分析

郭杰 王玉博 陸軍裝甲兵學院

引言：作為與機器人以及人工智能兩大技術一起被稱為能夠推動世界第三次工業革命的重要高科技之一，3D打印技術一方面能夠使得傳統產品制造途徑不可避免的材料損耗問題得以被克服，另一方面又能夠采用有針對性的智能化生產途徑，來更加有效地滿足用戶的產品需求，打造出更加精準且高端的產品。簡單地來說，3D打印技術的生產過程是通過逐層增加堆積材料來實現的，通過這一步驟，三維實體的產品得以形成，而3D打印技術究其本質而言，是一種增材制造技術。在3D打印技術的三大領域當中，其增強材料技術是其最重要的基礎生產鏈，其重要性不容小覷。

1. 3D打印技術與碳纖維增強塑料及復合材料的結合

碳纖維增強塑料及復合材料與傳統的碳纖維材料相比，不僅在強度和韌性方面具有前所未有的優勢，其在抗腐蝕和抗疲勞、高溫等方面也具備著難以比擬的良好性能，除此之外，這一材料還能夠更好地起到導電和導熱的作用，同時在環保方面也具備著良好的效果[1]。當前，在人們的生活中，高性能的碳纖維復合材料的身影已經越來越多見，而其和3D打印技術這一高科技的結合，碰撞出的火花更加令許多領域的人才倍感期待。

當前，已有公司發明了3D打印擠出頭設計，這一技術如果和碳纖維增強塑料結合起來，其打印出來的復雜零部件不僅相較于傳統的產品更加能夠抵抗高溫等惡劣的環境，還能夠為環保事業做出不小的貢獻。與此同時，在國外，3D打印的增材制造技術已經能夠被廣泛應用于碳纖維增強塑料及復合材料當中了，這兩者借助于智能化生產技術，能夠打造出具有極高的原材料利用率和更低廉的生產成本的產品。因此，不僅航空航天領域廣泛采納這一技術，其他領域諸如新能源汽車開發等領域也在著力于探討這一技術的推廣。

2. 3D打印技術的碳纖維增強塑料及復合材料

當前，主要有四種類型的碳纖維增強塑料及復合材料可被用于3D打印技術。第一種是短碳纖維增強改性工程塑料，這類材料不僅成本低廉，同時具有較高的耐用性，其制備過程也不涉及復雜的技術，因此國外早已將這類增材進行普遍的推廣，而國內相比之國外，對此類材料的應用尚處于起步時期。第二種類型的材料是連續碳纖維增強塑料及復合材料，此類材料也已經在國外被成功地開發和應用。第三類材料是連續碳纖維增強復合材料，當前，包括美、德、日等在內的發達國家已經開發出能夠將這一材料專門和3D打印技術結合起來的設備，并且逐漸在航空、航天領域推廣這一材料的使用。最后一種材料，是連續碳纖維增強納米復合材料。這一材料和3D打印技術結合起來之后，不僅能夠具備自潤滑的屬性，而且打造出來的產品也具有較高的抗磨損性能，當前，美國在使用這一材料方面所取得的造詣較高。

3. 國外發展情況

接下來全面介紹國外的3D打印碳纖維發展情況。

3.1 Arevo Labs公司

這家公司源于美國硅谷，他們主要的業務是為市場提供能夠用于工業途徑使用的碳纖維3D打印機。大約三年前，這家企業自主研發了一款機械臂3D打印平臺，這一平臺不僅能夠使用高性能的碳纖維材料來進行復雜部件的打印工作，還能夠在很大程度上提高材料的有效使用率，一舉多得。

3.2 Impossible Objects公司

這家公司所開發出來的專門用于打印復合材料的3D打印技術，已經申請了相關的專利。這一打印技術的主要方法，是將事先準備好的復合材料，經過層層堆積使他們逐漸成型，接下來，使用打印機內部的熱源來對它們進行融合，最后，移除剩下的多余的材料即可。這家公司還曾經嘗試過使用包括玻璃纖維等在內的具有高強度的復合材料來進行3D打印，結果顯示其成品的強度要遠遠高于使用熱塑性材料打印出來的產品的強度。因為其主要使用的材料是復合材料，因此用戶如果有特殊的需求，如需要具有較高的耐熱性和耐腐蝕性的產品，則可以在此公司進行專門的定制。除此之外，這家企業的創始人還認為，3D打印技術在增添了打印碳纖維的性能之后，才獲得了在更多領域推廣的可能性。而Impossible Objects所研發的新的打印工藝，避免了采用傳統的塑料部件所帶來的性能上的缺陷，而是使用碳纖維布來提高相應的產品質量。

3.3 ElectroImpact

自動纖維鋪放設備是這家企業主要提供的3D打印設備。而這一設備之所以能夠在打印質量的精細度方面做到有效的提升，主要的原因還是其所采用的技術——超薄碳纖維預浸帶自動鋪放技術。該設備主要由兩大部分組成，其中一個部分是一條機械臂，總長度約在六米左右，另一個部分是十六個安裝于其頭部的裝置，同時，其機械臂安放在一條軌道上，軌道長約十二米。如此一來，這一設備在工作的時候，就能一邊快速地轉動，一邊進行打印，如此一來，打印時間和生產的成本就被大大降低了。

3.4 MarkForged

早在三年前，這家企業就已經推出了一款桌面3D打印機，這款打印機所具備的打印復合材料的功能是全球首推的。這款打印機所需采用的材料只有碳纖維以及其他的復合材料，但是它所打印出來的塑料類部件的質量卻絲毫不遜于金屬部件。這款機器由兩個主要的打印頭組成，其中一個可以使用尼龍材料進行打印，而另一個可以使用一些具有較高強度的纖維材料，諸如碳纖維和玻璃纖維等材料進行打印。有了這兩個強有力的打印頭聯合工作，其生產出來的部件甚至在強度上不遜于鋁制品。同時，這款打印機由于操作便捷，又能夠節省成本，因此為這家公司創造了不菲的收益。

4. 結束語

當前，國內外的3D打印技術都正在如火如荼地發展著，而這一技術作為能夠和人工智能比肩的，即將影響未來產業和時代發展的一項重要技術，其深度開發的進程必將會給我國各行各業的發展帶來不容小覷的影響。因此，我國必須抓緊機遇，跟上國外的步伐，促進這一3D打印技術在國內的應用和普及。