3d打印碳纖維復(fù)合材料新方向

南極熊時(shí)常會(huì)想，高精尖的材料與3D打印結(jié)合會(huì)迸出怎樣的火花？石墨烯作為當(dāng)今最火的新材料之一，它是目前自然界最薄、強(qiáng)度最高的材料，如果能夠3D打印那就太完美了。復(fù)合材料領(lǐng)域，對(duì)于制造業(yè)來(lái)說(shuō)最重要的一個(gè)領(lǐng)域就是碳纖維增強(qiáng)材料，可以提供與金屬相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，又非常輕，碳纖維在需要考慮重量與強(qiáng)度比的行業(yè)包括航空航天、汽車(chē)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。

國(guó)外在碳纖維復(fù)合材料領(lǐng)域的設(shè)備玩家包括桌面級(jí)的Markforged，Orbital Composites，工業(yè)級(jí)的Arevo Labs、Impossible Objects、EnvisionTec以及AFP技術(shù)的Electroimpact等，國(guó)內(nèi)的一些廠家的碳纖維材料研發(fā)現(xiàn)狀的是什么樣的？

成都新柯力化工科技

用于3D打印發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的碳纖維復(fù)合材料
汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的強(qiáng)度要求很高，以往都是采用鑄鐵，但其重量大、散熱慢，為了減重和加強(qiáng)散熱，使用鋁合金的發(fā)動(dòng)機(jī)才應(yīng)運(yùn)而生。鋁合金是既提升汽車(chē)性能又是滿(mǎn)足輕量化材料，近些年來(lái)，鋁合金在汽車(chē)上的用量不斷增加，用作發(fā)動(dòng)機(jī)、熱交換器、渦輪增壓器、變速箱體、車(chē)輪以及車(chē)聲等部件。

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋作為汽車(chē)關(guān)鍵的配件，其工作過(guò)程是否可靠，直接關(guān)系到汽車(chē)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的性能。氣缸內(nèi)的燃油氣體工作時(shí)瞬加溫度可達(dá)到1100℃，而且面臨著熱沖壓、化學(xué)腐蝕、高壓等多個(gè)因素的惡劣環(huán)境。因此對(duì)氣缸蓋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、微裂紋、耐高溫性、耐腐蝕性要求極高。

圖片：國(guó)外制造的碳纖維復(fù)合鋁材料的發(fā)動(dòng)機(jī)部件

針對(duì)現(xiàn)有鋁合金通過(guò)3D打印成型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋時(shí)易形成微裂紋，導(dǎo)致強(qiáng)度、耐溫性降低這一缺陷，成都新柯力化工科技提出一種用于3D打印發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的復(fù)合材料。該復(fù)合材料含有碳纖維前驅(qū)體和裂紋修復(fù)劑，碳纖維前驅(qū)體具有良好的3D打印粘接成型特性，在燒結(jié)時(shí)碳纖維前驅(qū)體在550-600℃轉(zhuǎn)化為碳纖維，從而提高鋁合金的強(qiáng)度和耐高溫性，進(jìn)一步通過(guò)裂紋修復(fù)劑，可細(xì)化鋁合金的熔融的晶粒，使鋁合金的晶粒細(xì)小均勻,防止微裂紋產(chǎn)生，從而消除因3D打印成型造成空隙、微裂紋的缺陷。通過(guò)用該材料3D打印汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋，可在300℃的高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作不變形。

北京化工大學(xué)可用于航空航天領(lǐng)域的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印
北京化工大學(xué)的技術(shù)是將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料帶卷曲在放卷裝置上，由送料裝置驅(qū)動(dòng)使碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料帶進(jìn)入打印供料頭，打印供料頭將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料帶鋪設(shè)在工作臺(tái)上，激光發(fā)生器的激光源一分為二成為激光頭一和激光頭二對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料帶的側(cè)面和底面進(jìn)行加熱，工作臺(tái)具有打印成型所需的三維運(yùn)動(dòng)。

卷曲在放卷裝置上的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料帶由送料裝置驅(qū)動(dòng)喂料進(jìn)入打印機(jī)供料頭，工作臺(tái)在程序驅(qū)帶動(dòng)下進(jìn)行X-Y-Z三維的運(yùn) 動(dòng)，在將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鋪設(shè)在工作臺(tái)的同時(shí)，激光發(fā)生器的激光頭一和激光頭二對(duì)帶狀碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料帶的側(cè)面和底面進(jìn)行加熱，將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料帶與相鄰的帶狀碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料粘 接在一起，該過(guò)程重復(fù)直到完整制品的打印為止。

打印過(guò)程基于微積分原理將制品模型切成若干條帶狀單元，利用打印機(jī)噴頭精確定位鋪設(shè)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，同時(shí)利用激光加熱熔接相鄰帶狀碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料直到成型整個(gè)制品，這種方法特別適用于加工大型制品，能提高復(fù)雜制品的生產(chǎn)效率和降低加工成本，且打印出來(lái)的實(shí)體部件強(qiáng)度和剛度都能大大的提高。

另外，在3D打印的過(guò)程中，原料不需要完全熔化，具有節(jié)省能源、工藝簡(jiǎn)單、成本更低和打印速度快的特點(diǎn)，產(chǎn)品適用性強(qiáng)，尤其適合大型制品打印成型，產(chǎn)品能夠應(yīng)用于航天領(lǐng)域與高端汽車(chē)等領(lǐng)域。

北京化工大學(xué)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的打印技術(shù)，讓南極熊想到美國(guó)麻省理工的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)所創(chuàng)立的Impossible Objects的CBAM技術(shù)，CBAM技術(shù)的加工過(guò)程中需要向碳纖維層噴射粘合劑，另外后期的熱處理去除粘合劑的過(guò)程也必不可少，請(qǐng)關(guān)注南極熊3d打印網(wǎng)。

來(lái)源：3d科學(xué)谷
延伸閱讀：
北理工研發(fā)出石墨烯基復(fù)合材料，可作為3D打印原材料
Graphene推新型石墨烯復(fù)合材料，硬度高且抗沖擊