使用碳纖維和玻璃纖維的一種3D打印工藝

3D打印又稱為增量制造或增材制造，是以數字模型文件為基礎，通過軟件與數控系統將專用的打印材料，采用多種方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術。美國Impossible Objects （字面意思為“不可能物體”）公司是一家專營3D打印機和3D打印材料的公司，在增量制造和復合材料制造方面取得了領先進展?；诙嗄甑难邪l，該公司創立了一種稱為“復合材料基增量制造”（composite-based additive manufacturing，縮寫為CBAM）的技術，據稱這是一種全新的工藝，與傳統的增量制造技術有著根本的不同。

CBAM技術專為復合材料而設計。其產品強度比其他增量制造技術之產品更高，制造速度更快，該公司的目標是以注塑速度生產世界上最強的3D打印復合材料制件。

材料

CBAM技術據稱是唯一一種將碳纖維或玻璃纖維長纖維材料（相對于短纖維或短切纖維而言）與高性能熱塑性基體材料相結合以制造復合材料零部件的3D打印工藝。長纖維（長度至少為12 mm的纖維）除了提供尺寸穩定性、耐熱性和耐化學性等共性外，還可以顯著提高強度、韌性和耐久性。長纖維增強復合材料制件可用來取代成本較低的塑料制件和輕質金屬制件，或制造其他方式不可能制成的全新制件。

通過將尼龍和聚醚醚酮等高性能聚合物與碳纖維和玻璃纖維非織造材料（薄氈類纖維片材）相結合，用該公司打印機打印的制件據說比傳統3D打印制件強度更高、質量更輕、尺寸精度更高、耐溫性能更好，而且其生產制件的速度比傳統的熔融沉積成型（FDM）3D打印工藝快10倍。

CBAM工藝可使用多種長纖維材料，包括碳纖維和玻璃纖維，將它們與聚醚醚酮、尼龍 6、尼龍 12、彈性體和大多數其他熱塑性塑料搭配，打印成復合材料制品。其他材料也在開發之中。

目前該公司網站上列出的材料組合有：

碳纖維/聚醚醚酮；

碳纖維/尼龍12；

玻璃纖維/聚醚醚酮；

玻璃纖維/尼龍12。

圖1為碳纖維/PEEK、玻璃纖維/PEEK打印的制品。

圖1 用碳纖維/PEEK、玻璃纖維/PEEK打印的制品

打印過程

該公司的打印機使用高速噴墨打印方法生產高性能復合材料器件，無需模具或凌亂的樹脂。

打印步驟如下：

把長纖維（12 mm以上）構成的片材送入打印機中；

使用清潔打印流體和熱噴墨技術把CAD切片得出的分層形狀打印到纖維片材上；

把聚合物粉末施加到纖維片材上；

排除多余粉末，逐層重復打印，打印完所有層數；

把打印好的片材堆積，加熱到聚合物熔點，并加壓固結制件至設計高度；

通過機械或化學處理除去未粘結的纖維，獲得最終制件。

圖2為CBAM-2打印機。

圖2 CBAM-2打印機（來源：Impossible Objects）

應用行業

◆汽車

玻璃纖維/尼龍、碳纖維/聚醚醚酮這樣的材料組合具有很高的比強度，可提高汽車的燃料經濟性。

CBAM-2打印機的速度已經是當今最快的3D打印機之一。展望未來，它的速度可以滿足汽車行業的高產量需求。

◆航空航天

每增加一些質量，運營成本就會大幅增加。該公司的打印機利用長碳纖維來減輕航空器件的質量，同時保持強度和完整性。打印機擁有多種材料組合，包括碳纖維/聚醚醚酮，可打造多種類型和功能的制件。

◆軍事和防衛

玻璃纖維/尼龍、碳纖維/聚醚醚酮這樣的材料組合具有很高的比強度，而且能夠耐受最苛酷的環境和用途。

◆工業制造

該公司的3D打印機適用于各種幾何形狀和材料類型，具有極高的多功能性和靈活性。

碳纖維/聚醚醚酮：一種強度極高的材料，可以承受很高的溫度。

玻璃纖維/尼龍：適于打印的制件范圍極廣。

與歐文斯科寧聯手研制高性能3D打印材料

據2021年5月24日消息，Impossible Objects公司宣布與全球建筑材料和工業材料領先廠商美國歐文斯科寧公司簽訂協議，為其CBAM技術聯合開發新材料。

Impossible Objects公司表示，與歐文斯科寧公司的合作將促成公司以低于其他3D打印工藝的成本生產強度更高的制件。玻璃纖維復合材料在3D打印制件方面具有重要優勢，包括比鋁更高的比強度、更低的成本、優異的高溫性能和更強的耐化學性。降低材料成本對于擴大3D打印的應用非常重要。研究表明，3D打印所用材料的單位重量成本比傳統制造材料的成本高出8倍之多。

歐文斯科寧公司復合材料業務部戰略營銷副總裁Chris Skinner說：“我們力求在復合材料的新技術和新用途方面走在前列。我們發現，Impossible Objects公司的技術對于把復合材料擴展到某些用途方面具有潛在的變革意義。因為我們相信它能夠成功并為市場和客戶提供價值，我們已經簽訂了一項聯合協議，以支持其進一步開發?！?/p>

Impossible Objects公司董事長暨創始人Robert Swartz說：“與歐文斯科寧的合作將使我們能夠快速試驗和精化新材料，以顯著降低成本，并為3D打印帶來前所未有的選擇?！?/p>

雙方認為，將Impossible Objects公司的CBAM工藝與歐文斯科寧公司的玻璃纖維非織造布制造能力相結合，能夠使CBAM工藝擴大到工業規模，使其能夠與其他大批量制造方法（如注塑）競爭。CBAM工藝可以避免注塑工藝的長交貨時間和模具成本，同時實現制件的大規模定制。CBAM還能使零件整合，從而降低裝配成本。

歐文斯科寧是最新一家與Impossible Objects公司聯手推動CBAM工藝發展的材料供應商。2019年5月，巴斯夫化工公司首次與Impossible Objects合作，用3D打印技術制造高性能碳纖維/PA6復合材料制件。同樣在2019年，奧地利TIGER Coatings公司開始與Impossible Objects公司合作開發熱固性3D打印復合材料。更后來，Impossible Objects公司與英國3D打印專家Ricoh 3D公司結伙，為后者的歐洲客戶打印高強輕質的復合材料零部件。