導(dǎo)讀：隨著航空航天、汽車工業(yè)、醫(yī)療器械、電子行業(yè)等領(lǐng)域的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的材料已經(jīng)無法滿足當(dāng)前市場(chǎng)需求，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。根據(jù)IDTechEx報(bào)告稱，到2030年，復(fù)合材料3D打印市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到億美元。

(資料圖片)

通過連續(xù)碳纖維3D打印的樣品，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，用于將結(jié)構(gòu)固定在一起，而另一種材料作為增強(qiáng)體，則為產(chǎn)品提供額外的性能。其中，碳釬維、玻璃纖維等纖維材料是最常用的增強(qiáng)材料，而熱塑性（如ABS或PLA）等材料則常被用作基體材料。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，3D打印在很大程度上簡(jiǎn)化了制造過程，減少了人工操作，同時(shí)也提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

連續(xù)碳纖維3D打印工作中，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(shí)，通常指的是加入增強(qiáng)纖維的復(fù)合材料。在3D打印領(lǐng)域，有三種最常用的纖維材料，分別是碳纖維、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、耐熱性和耐久性，大大拓展了3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域。接下來，我們將逐一介紹這三種最常見的纖維材料。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)，能在張力下提供出色的穩(wěn)定性。因其卓越的強(qiáng)度重量比（為鋁的兩倍），碳纖維被譽(yù)為“新材料之王”，在力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色，適用于制造輕巧堅(jiān)固的零件。傳統(tǒng)上，使用熱固性樹脂作為粘合劑，將這些纖維固定成所需的形狀，并在基質(zhì)材料周圍固化。在3D打印中，有兩種不同的形式：

短纖維被添加到線材中，圖片來自：Markforged

1，短切纖維：將碳纖維切成小于一毫米的細(xì)片，混入傳統(tǒng)的熱塑性塑料中進(jìn)行打印。短纖維融入整個(gè)基體并能增強(qiáng)部件，這種材料適用于大多數(shù)3D打印機(jī)。其中，碳纖維的數(shù)量和切碎段的長(zhǎng)度會(huì)影響零件的強(qiáng)度和質(zhì)量。

連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合線材，圖片來自：Anisoprint

2，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。連續(xù)纖維制造需要兩個(gè)不同的噴嘴，首先將連續(xù)纖維涂覆在固化劑中，然后放入通過輔助打印噴嘴擠出的熱塑性基質(zhì)中。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。

不同類型的連續(xù)纖維增強(qiáng)填充，照片來自：Anisoprint

在添加碳纖維后，諸如PLA、PETG、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，添加量會(huì)受纖維使用方式和種類的影響。一般而言，連續(xù)碳纖維3D打印相對(duì)于短切碳纖維更強(qiáng)，因?yàn)檫B續(xù)性有助于分散施加的負(fù)荷。典型應(yīng)用

2018年10月，波音公司為777X客機(jī)制作了一個(gè)大型的3D打印碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料部件，長(zhǎng)達(dá)米。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?。╒LP）技術(shù)進(jìn)行制作，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，歐洲第一、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。玻璃纖維復(fù)合材料玻璃纖維材料于1930年問世，是一種堅(jiān)固且成本效益高的增強(qiáng)材料。在適當(dāng)?shù)幕纳鲜褂脮r(shí)，它可以制造出比ABS強(qiáng)度高十倍的零件。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。此外，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，且導(dǎo)熱性較低。這種材料有多種顏色可選，并且具有較低的收縮率，可以最大程度地減少零件翹曲的風(fēng)險(xiǎn)。事實(shí)證明，玻璃纖維增強(qiáng)的3D打印線材對(duì)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(jià)值。典型應(yīng)用

在2020年10月，Moi Composites通過玻璃纖維3D打印制造了一艘名為MAMBO的船，長(zhǎng)米，寬米，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(shí)船只。制造過程采用了專利的連續(xù)纖維制造（CFM）技術(shù)，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，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，也被稱為Kevlar或芳綸，于1971年由杜邦DuPont首次推出，由Stephanie Kwolek首創(chuàng)。它屬于芳綸纖維類別，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。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，主要用于制造需要承受強(qiáng)烈振動(dòng)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，并且具有出色的耐熱性，高達(dá)400°C。此外，凱夫拉爾還具有低密度、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。典型應(yīng)用

一個(gè)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，凸顯了增強(qiáng)材料在汽車制造業(yè)中的巨大潛力。目前，在3D打印連續(xù)碳纖維市場(chǎng)中，主要的參與者包括美國的Markforged、俄羅斯的Anisoprint。Markforged將其稱為連續(xù)長(zhǎng)絲制造(CFF)，而Anisoprint將其稱為復(fù)合纖維共擠(CFC)。此外，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。