最佳3D打印机材料:碳纤维

如果3D印刷业要抓住70亿美元制造市场相当大的份额,该技术将在过程本身和他们所使用的材料方面演变两者。而碳纤维和惠普正在展示该进程正在赶上来,甚至可能取代传统的制造方法,3D打印还是有很大的进步适应于传统的生产找到了添加剂制造(AM)材料方面进行。

材料正在然而改编,众多化工企业,从杜邦公司伊士曼,跳进增长的3D打印材料市场,根据市场研究公司IDTechEx的预计到2025年将达到8.3亿。光聚合物目前占据3D打印的最大市场份额材料,但,为了与传统的制造竞争,复合材料将是制作3D印刷一种可行的技术用于替换常规工艺是必不可少的。

并且,当涉及到复合材料,用于制造工业中最重要的一个是碳纤维增强材料。碳纤维加固可以以一个部分提供额外的强度,同时保持了重量轻,使得它具有成本效益的替代如钛金属。反过来,该材料在其重量和强度是至关重要的领域,如航空航天或高性能汽车行业。

因为它的立场,但是,也有只有引入这款轻便而坚固的材料到现有的3D印刷工艺方法屈指可数。在这里,我们中继所有的已知的努力正在进行使碳纤维复合材料的层 – 层世界调幅的。紧握你的座位!我们即将进入碳纤维加固的高性能的世界。

如何碳纤维纹路我们的生活

棉花可能是我们生活的面料,但自上世纪70年代,碳纤维已经开始成为我们的工业制造业务的结构。尽管它可能在航空航天工业中最常用的,该材料已经被越来越多地应用于汽车,体育用品,民用工程和电子的空间利用。

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空中客车A350宽体飞机,在泰航的色彩显示,是52%的碳纤维部件(空客的图片。)

许多航空航天制造商一直在实施生产碳纤维加固,由于材料的高强度-重量比。同时仍强,碳纤维可以用来代替金属部件,减少了飞机的重量,从而也减少了飞飞机所需要的燃料。直到新的建设空客A350宽体飞机,这是由52%的碳纤维增强塑料(CFRP)元件,波音787梦想飞机具有的碳纤维复合材料零部件的最高金额,构成了飞机的50%。

性能汽车巨资配备了碳纤维加固,但由于材料价格,CFRP部件却迟迟没有使他们的方式到大多数量产车。出于这个原因,你会更容易看到用碳纤维加固的赛车比在四门轿车。话虽这么说,制造商正在试图CFRP部件引入主流汽车,如宝马i3的,其特点是在很大程度上CFRP底盘。

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宝马i3的特色CFRP部件。(宝马的图片。)

如果你是一个严重的自行车手,你的自行车很可能有一个碳纤维车架。如果要跨的驱动桥,它可能与碳纤维加固,改造有时旧的结构时应用。如果你背着网球拍或捕捉在冲浪板上一挥手,有一个很好的机会,你是用碳纤维的帮助下做这件事。如果你有微电极在你的口袋,用于测量多巴胺的浓度,那些用碳纤维制成,太。

碳纤维复合材料是如何制造

在19世纪后期的各种工程师发明,碳纤维是由约5至10微米厚的碳原子的个别股。大约90%的碳纤维是由直到它揭示所有原子,包括氢和氮,但碳原子数为加热一在几个阶段称为聚丙烯腈(PAN)聚合物制成。

此,PAN过程之外,碳纤维的约10%是通过音调过程,它涉及植物,原油或煤的热成产生凝胶状物质再沉积其通过冷却轮施加后续的步骤之前。而PAN基碳纤维,被称为乱层结构碳纤维,具有高的抗张强度,通过后一方法制成的碳纤维具有高的刚度和热导率。

而碳纤维可以被卷绕成卷,已知为丝束,并用本身,它被更频繁地织成片材,并用聚合物,以形成碳纤维增强复合材料相结合。在这种情况下,树脂状聚合物,通常称为“矩阵”,作为结合的碳纤维或端部内的粘合剂。这些基体材料,常常热固性塑料,可从尼龙和聚醚醚基本色调(PEEK),以芳纶和聚酯变化。

创建碳纤维增强塑料/聚合物部件的过程取决于正在取得的对象的类型。例如,前模具填充有固化的基质材料和加热或空气碳纤维布可以放置到模具中的最终产品的形状。

否则,一个模具可以与加固材料被放入真空袋中,然后填充有基质材料之前衬里。这两个过程,也可以与已经浸渍有基质材料(即“预浸料坯”),以增加效率的处理的纤维复合材料进行的。通过像宝马公司使用的另一种方法见的金属模的凸形和凹形部分之间被压缩的加固和基质材料。

使碳纤维复合材料部件的大多数方法已经劳动密集型的,但对于自动化的新方法也开始进行开发。计算机数字控制与价格标签(CNC)机器不等的数千万美元的可申请加固材料的条到聚合物部分,切条到合适的长度,适用于热融合在一起之前的部分被放入高压灭菌最终固化。

这些过程往往是劳动密集型的和昂贵的铺带碳纤维或者进行繁琐用手或用自动化机器过于昂贵的,但任何较大的厂家负担。通过3D打印CFRP部件,它可以减少所涉及的手工元素,同时还推出了定制生产一次性零件或小批量生产增加几何复杂的能力。

碳纤维3D打印长丝

此刻,用于将碳纤维进三维打印处理的最简单的方法可能是使用碳纤维复合材料长丝的。短切碳纤维与热塑性这种材料典型联合收割机,以创建可以由熔融长丝制造(FFF)技术被挤出的复合长丝。FFF 3D打印机往往低成本,入门级系统,但也可以是专业和工业级的机器。

有几个厂家用不同程度的碳纤维加固,不同基体材料的碳纤维细丝。colorFabb,总部设在荷兰,产生XT-CF20,结合伊士曼化学公司的双眉藻聚对苯二甲酸乙二醇修饰(PETG)共聚酯与20%切断的碳纤维的材料。原面食的碳纤维聚乳酸是聚乳酸(PLA),玉米淀粉衍生的塑料,和短切碳纤维的混合。

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一个RC赛车3D打印XT-CF20。(colorFabb的图片。)

Markforged,这使得将在下面的部分中讨论它自己的碳纤维的三维打印机,制造尼龙-碳纤维复合材料为好。3DXTECH使得各种不同的碳纤维丝,从PLA和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)来PETG,尼龙和聚醚醚酮。

每个品种长丝提供了不同的特点。虽然PLA复合材料可能是最容易打印,ABS或PETG可能有点强,没有打破银行。尼龙将更加强硬,比其他的选择性更耐磨,但支付更高的价格PEEK将使你能够构建部件可能真正成为工业级。虽然所有的可能比他们的非碳纤维同行更强,PEEK将成为最强大和最热,化学和水分的一群耐药。

这些细丝可能超过两倍壮如无碳纤维材料多; 然而,由于该材料是,那么,短切短切碳纤维在它所能提供的强度方面的限制。连续碳纤维加固可以更加耐用,由于这样的事实,成千上万的碳纤维的集束在一起在长链的,而不是在整个主要塑料部分打破和散射。

出于这个原因,Arevo实验室已经开发不仅具有连续碳纤维长丝以及与碳纳米管材料的形式用短切碳纤维长丝的,但材料。作为与Hemant Bheda,Arevo实验室的CEO解释说,“我们有一个过程,连续纤维与热塑性材料相结合。这个过程是从三维打印机分开。碳纳米纤维被视为类似于任何其它连续纤维。相比碳纤维的碳纳米纤维具有高得多的强度。“

是否使用短切碳纤维,碳纳米管或连续的碳纤维,大多数三维印刷技术仍然遭受被称为剥离的特性,其中在Z轴的层没有充分熔化和散开。出于这个原因,Arevo Labs已经开发了一种五轴三维印刷技术,打印不仅在X,Y和Z轴,但是从几乎每一个角度。

Bheda描述了这个过程的好处:“我们向[繁体]沉积[我们]真正的3D沉积。古典“3D打印”仅在XY平面沉积材料。我们称之为“2.5D的印刷。” 2.5D印刷引起在Z方向的弱点。这也被称为分层。因为我们的五轴机械臂由我们的软件算法驱动的可在3D表面(不限于XY平面)沉积材料,它会导致在Z方向上的和改进的美学较高的强度“。

3D打印碳纤

此刻,Markforged的连续长丝制造(CFF)是市场上的一些方法对三维打印用碳纤维之一,只有两个能采用,我所知道的连续的碳纤维中的一个。该技术类似于FFF,在其挤出从打印头的热塑性到衬底上逐层直到对象已完成。然而,CFF补充说,饲料纤维长丝股进入过程中打印第二挤出机。

Markforged推出与SolidWorks全球2014点一个3D打印机,但后来升级系统是有点大,更高的质量和更可靠的马克二。标记两个能够三维打印的用尼龙或碳纤维强化尼龙作为与各种增强材料,包括碳,玻璃纤维,高强度和高温玻璃纤维和芳纶沿基体材料。

辛西娅Gumbert,对于Markforged营销副总裁解释说,该公司的技术能够产生这样的对象作为工装,夹具的生产,终端使用部分,甚至矫形器,所有的高强度,重量轻,由于CFF过程。“我们的许多客户现在使用的打印部分被加工出来的金属,”Gumbert说。“在成本,时间和CFF材料储蓄为3D打印创建一个新的经济,在加工和传统复合材料的生产工艺显著的节约。”

她指出,Markforged打印机也不会产生浪费的材料,不同的是,比如说,选择性激光烧结,并完成了部分无需进行后期处理。作为外壳的材料的使用尼龙或碳纤维强化尼龙还导致低摩擦部件,这是生产工具和夹具有益的。Gumbert补充说,“[CFF是]唯一的先进的光纤路由[过程如下]专轮廓。这是在一个大进步了传统的纸为基础的方法,我们可以按照轮廓和加强它。例如,我们可以打印的环周围的孔,以加强该孔。在旧层的方法,都导致对保留的纤维松动,切端,这就需要用刀片进行加固。我们的连续纤维被放置到孔,孔周围,然后退了出去。我们进一步交替缝在每一层,以避免任何弱点。“

马克一和马克两人已经证明自己能够以实惠的价格提供定制纤维增强部分唯一。在马克二开始在$ 5,499,赠送小实验室和大公司原型零件或产生与碳纤维等增强材料终端产品的能力。

然而,Markforged不仅是已开发了打印内铺设连续的碳纤维的方法中的公司。美国加州一家名为轨道复合材料公司已经建立了一个挤压机,它也能填充碳纤维长丝打印。到目前为止,至少有一家公司就是靠这个技术以其自身的碳纤维打印机,甚至计划在微重力送装备操作一个版本到国际空间站。

在空间或上石膏,一个缺点该技术是,一些复杂的几何形状和细节可能无法打印用碳纤维加固。虽然CFF是能够很容易,可能典型地铣削数控三维打印对象,一个复杂的格可能无法打印与加固。此外,像所有的FFF平台上,CFF未必所有的快,并在320毫米×132毫米×154毫米(12.6英寸×5.2英寸x 6.1),构建平台是比较小的。

不可思议的速度和灵活性,碳纤维3D打印

虽然Markforged机器是台式打印机,新兴的碳纤维3D打印技术可能需要一个专门的生产设施或机加工车间。这可能是真正不可能对象 “复合型添加剂的制造方法(CBAM)技术。然而,该公司的CBAM过程可以解决一些通过在潜在的高的速度,并在可扩展的尺寸纤维强化与任何数目的基体材料的组合所面临的桌面碳纤维的打印机的局限性。

一旦一个CAD文件已被切成单独的位图的层,打印机沉积物水基印刷溶液到该位图的形状上,从一个给定的增强材料制成的基片。在基片随后与热塑性基体材料,其粘只向水溶液淹没。然后粉末被吹入或抽真空,留下的只是已经附着到液体的塑料。

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所述CBAM喷墨头沉积液体溶液。(不可能对象图片。)

此过程重复与CAD文件的每一层,与所有的基片层最后堆叠,压缩,并放入烘箱熔化基质材料一起的。然后该对象被取出炉,和过量的增强材料是通过化学浴或喷砂除去。结果为具有由碳纤维,玻璃纤维,聚酯,聚乙烯醇和PLA任何丝绸和棉花增强的热塑性打印。

这些版画可能比FFF或其他三维印刷工艺制成的组件更强大的10倍。此外,因为CBAM不熔化热塑材料,如FFF发生时,更多种类的材料可用于三维印刷,例如PEEK。

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三维打印股骨柄植入物与碳纤维和PEEK制成。(不可能对象图片。)

此外,由于喷墨头可以存入每秒百万滴,有可能更快地打印。该公司的创始人兼首席执行官罗伯特·斯沃茨认为,不可能对象可以创建一个能够以每分钟百米利率3D打印的CBAM机。目前,原型机可与在尺寸(305毫米×406毫米)×16表12打印,但他认为这种尺寸可以扩大以制造整个车罩。

可以打印与CBAM的几何形状是取决于所使用的增强材料。采用碳纤维3D打印,特别需要使用喷砂带走支撑结构和多余的材料,使室内的部分可能不容易后处理过程中去除的。当使用化学方法,但是,该几何复杂性要大得多,因为过量的材料被溶解掉。

虽然不是很强劲,碳纤维增强传统制造的部件,CBAM或许能够制造成分比其他3D打印技术强得多。它可能,因此,是理想的更快速,经济地比传统技术生产的创建复杂的,耐用的部件。与CFF,这个过程也比以往的碳纤维加固的方法更加自动化。

斯沃茨采访了该公司的技术如何提升现有技术中3D打印的状态。“调幅最大的挑战是要构建轻量级功能部件,并迅速做到这一点的能力,”他说。“基于纤维碳CBAM产生具有大的机械强度,这可在应用中使用,以取代金属,和更好的机械性能比现有的调幅过程像选择性激光烧结,熔融沉积或立体光刻部件。此外,CBAM比这些现有的流程更快“。

他补充说,“这打开了一些市场,包括医疗,航空航天和运动性能,以及其他领域,比如在汽车行业,碳纤维的卓越的强度 – 重量比是重要的轻量化。”

然而,有,尚未在市场上CBAM三维打印机。不可能对象计划推出测试版试机在2017年年初,当CBAM系统可用于购买虽然,他们可能会比高端Stratasys公司,EOS和HP 3D打印机成本更低。

大量的碳纤维3D打印

CBAM是不是在地平线上唯一的新的碳纤维3D打印技术。在2016年快速,数字光处理先锋EnvisionTEC 公布其庞大的SLCOM 1三维打印机,它依赖于该公司正在申请专利的选择性层压复合物制造(SLCOM)技术。

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该SLCOM 1三维打印机能够3D打印大型复合材料部件。

还记得本文前面“预浸料”?SLCOM使用的辊织造增强材料,包括碳纤维,玻璃纤维和热塑性材料,例如PEEK,聚醚,聚碳酸酯,尼龙6,尼龙11或尼龙12的辊由供给到印刷室层芳纶预浸渍层用越过融化内热塑性一个加热辊。同时,喷墨头沉积蜡和粘合剂的金属。通过切掉用蜡的任何区域带有附加超声波发射器碳刀片跟进。

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两种复合材料部件的3D打印EnvisionTEC新SLCOM平台。

该SLCOM 1能够如24中(610毫米×762毫米×610毫米)×24大在×30的三维打印份数和高达500磅(226.8公斤)。如此庞大的打印带有大约$ 1百万一个巨大的价格标签时,机器被释放这个冬天。

约翰·哈特纳,在EnvisionTEC首席运营官,能够由SLCOM过程中所提供的可能性线索。他指出,打印机向航空航天,汽车和国防工业的目标,因此,旨在解决一些与创造的复合部位,如手上篮复合材料的限制和处理预浸料的挑战相关的主要挑战。

“我们的新的3D打印机能够制造大型纤维编织部件和强,重量轻,有可能做出不同的复合矩阵的某些功能特性定制的零件,”哈特纳解释。“具体来说,我们的技术简化了创建复合材料部件的过程,并允许全天候生产,它们能够如果需要加工的是完整的,几乎完整的,高品质的复合材料部件。我们认为,这标志着进步的复合生产一个令人兴奋的,新阶段的开始。“

哈特纳阐述了航空航天和国防公司都表现出了对技术的灵活和快速生产特别感兴趣,用一只眼睛。不过,他认为,其他部门也将很快跟进给出的SLCOM 1的生产高强度,轻量化的零件或部件具有特殊功能的能力。

“例如,SLCOM技术可以用于生产在各种定制的复合材料部件,以及复合的组合可以被选择用于各种功能,例如低可燃性,高耐磨,X射线透明度和更“哈特纳说。“除了这提供了航空航天,汽车和国防等行业的明显的好处,可以很容易地看到医疗部件,体育用品,照明以及各种消费产品可以通过这项新技术进行改造。”

鉴于正在打印的机器和坚韧的材料的规模巨大,我想知道从多余的材料去除这种大型部件所需要的后期处理。哈特纳解释说,这并不像人们想象的那样艰苦的:“所有的3D处理需要一定的后期处理,但我们的技术的显着因素之一是在构建过程,基本上适用反利用的层压抑制液在零件或产品的所需边缘-stick材料。这减少了后期处理基本上是一个简单的版本,或打破了部分从废物区之外。这是一个节省时间的改善。“

研究

采用碳纤维3D打印还处于发展的早期阶段。如果不可能对象和EnvisionTEC任何指示,但是,我们可能对3D打印技术的一个激动人心的新领域的风口浪尖。目前,有从事研究,可能会变成新的方法用于增强的3D打印对象的碳纤维大学和政府实验室。

一个实验室就是这个主题非常感兴趣是能源部橡树岭国家实验室(ORNL),它已经帮助制订一个新的碳纤维3D打印方法,并可能有更多的惊喜的美系。该实验室实际上有专门生产碳纤维,包括一个390英尺长的生产线,可以弥补25吨,每年的碳纤维的42000平方英尺的设施。

2014年,橡树岭国家实验室与设备制造商辛辛那提公司和众包汽车制造商的本地汽车合作,以改进现有辛辛那提设备的3D打印。其结果是大面积添加剂制造(BAAM)的机器。随着7英尺的构建体积×13英尺×3英尺(2.1米×4.0米×0.9米),在BAAM采用了料斗以40磅/小时的速度惊人原料颗粒送入挤出机以3D打印。该BAAM还设有数控铣床刀片进一步改进打印沿途。

该技术已被证明非常适合3D打印本地汽车公司车辆的底盘,包括即将推出的LM3D游泳,这将是第一道准备,3D打印车系列,和奥利,一个3D打印,自治的公共交通车辆。仅5%的碳纤维和95%的ABS制造,该公司的第一款3D打印汽车,在斯特拉蒂,只有很少的碳纤维含量。橡树岭国家实验室后来又继续3D打印一个谢尔比眼镜蛇与完成这么细,这是不可能告诉,这辆车是3D打印的发20%的碳纤维组成。

然而,鉴于目前由橡树岭国家实验室进行的研究,实验室可能正在增加碳纤维加固的这是适合3D打印量。橡树岭国家实验室与得克萨斯州的启动工作余弦添加剂开发一个中等面积添加剂制造系统,这将是类似BAAM的缩小版。该实验室还将与不可能物体的3D打印模具制造的碳纤维复合材料部件的工作。

3D打印与石墨烯

采用碳纤维3D打印可以更立即执行,但也有一些已经在寻找碳纤维的神奇表弟,石墨烯。具有一定厚度的单个碳原子的石墨烯是比钢,难以置信轻巧导电和导热强约100倍。

现在,任何人都可以用3D石墨烯-聚乳酸长丝打印从石墨烯三维实验室 ; 然而,一些研究工作已经证明了能力的东西,3D打印更纯净版本,包括科学家伦敦帝国学院和劳伦斯·利弗莫尔国家Labo的ratory(LLNL)。

与石墨烯三维印刷的困难是不能从印刷头沉积该疏水奇迹材料。而伦敦帝国学院队实际3D与石墨烯氧化物,以便挤出材料作为糊一个响应性聚合物组合打印,LLNL 3D印刷石墨烯氧化物成硅胶。

作为这种技术商业化,其可以被用于创建高导电的电子元件,以及保护涂层飞机,其他应用当中。伦敦帝国学院的研究人员,例如,旨在创造与过程的机器人灵巧蒙皮。

在短期内,但是,碳纤维将更快地做它的方式进入3D打印材料组合。因为它,笔者最喜欢的制造技术也许能进一步证明了拉过功勋,传统的生产技术只能梦想的能力。

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