作者：喬迪·穆拉納

　　近年來，兩個發(fā)展模糊了兩者之間的界限 3D打印 和復(fù)合材料制造。第一個發(fā)展是3D打印現(xiàn)在允許使用尼龍等高強(qiáng)度聚合物作為基質(zhì)，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)打印部件。

　　圖 1：這些是纖維生產(chǎn)設(shè)施中的碳纖維線軸。這種材料廣泛用于通過增材制造方法制成的工件的加固。(圖片來源：蓋蒂圖片社)

　　第二個發(fā)展是復(fù)合材料制造(特別是航空航天和自動化機(jī)械部件)越來越多地從手工疊層向自動化工藝過渡的方式。后者包括依靠機(jī)器人自動化來沉積材料的自動鋪帶和纖維放置。

　　事實(shí)上，這兩種工藝以及它們生產(chǎn)的各種碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)部件的性能之間還存在其他差異。

　　碳纖維增強(qiáng)3D打印

　　幾乎所有增材制造(AM)工藝的共同點(diǎn)是，它們通過鋪設(shè)一系列二維層來構(gòu)建3D組件 - 一個在另一個之上。有許多不同的AM流程;工業(yè)應(yīng)用中最成熟的兩種是選擇性激光燒結(jié)(SLS)和立體光刻。

　　SLS使用激光逐層融合粉末材料以構(gòu)建組件。SLS最初是為聚合物定制的堆積工藝而開發(fā)的，如今越來越多地用于生產(chǎn)具有高強(qiáng)度的鋁，不銹鋼和鈦航空航天部件。

　　然而，大多數(shù)外行人(和工程師)熟悉的AM工藝是燈絲沉積建模或 FDM.在FDM疊層中，長絲線軸送入加熱的子組件，然后作為熔融聚合物存在噴嘴。然后，噴嘴穿過正在構(gòu)建的零件的表面，因?yàn)榫酆衔锊牧献杂闪鲃硬⒊练e到當(dāng)前零件層上(并迅速凝固)。這個過程有點(diǎn)像使用熱膠槍構(gòu)建3D零件。

　　今天，低成本的FDM機(jī)器比比皆是...這就是為什么FDM是大多數(shù)人在提到3D打印時所指的AM亞型的部分原因。雖然術(shù)語3D打印和增材制造可以互換使用，但后者通常是指高質(zhì)量的工業(yè)原型和生產(chǎn)零件。相比之下，術(shù)語 3D打印 更常見(但并非總是)是指低成本原型設(shè)計(jì)和愛好級應(yīng)用程序。

　　一些FDM機(jī)器與聚合物材料兼容，這些材料用相對較小比例的短鏈隨機(jī)取向玻璃或碳纖維增強(qiáng)。這種類型的增強(qiáng)材料通常與高強(qiáng)度注塑成型部件(例如汽車擋泥板和儀表板)相關(guān)聯(lián)，而不是用于自動化機(jī)械的高性能復(fù)合材料部件。另一方面，今天少數(shù)先進(jìn)的FDM機(jī)器能夠?qū)⒛猃埖雀邚?qiáng)度聚合物與連續(xù)的碳纖維股一起沉積。Markforged是這種3D打印的早期先驅(qū)，以利用連續(xù)股碳纖維的強(qiáng)化優(yōu)勢。難怪這家公司仍然是大多數(shù)工程師與生產(chǎn)具有這種加固的組件相關(guān)的公司。

　　自動化復(fù)合材料制造

　　在航空航天等行業(yè)中，基于手動操作的傳統(tǒng)復(fù)合材料制造正慢慢被自動化流程所取代。六軸工業(yè)機(jī)器人以及定制的龍門機(jī)床是領(lǐng)先的運(yùn)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可執(zhí)行：

　　自動光纖放置和長絲纏繞

　　將樹脂注入含有干纖維預(yù)制棒的模具中的樹脂灌注方法

　　自動化復(fù)合材料注塑工藝進(jìn)一步區(qū)分為開模和閉模技術(shù)。閉模復(fù)合注塑工藝確保所有外表面光滑且控制良好。相比之下，開模工藝具有控制良好的外模線表面和更粗糙的內(nèi)模線表面。

　　自動鋪帶或 ATL 機(jī)器通常使用龍門機(jī)器來澆注所謂的 預(yù)浸料膠帶 用樹脂預(yù)浸漬到相對平坦或略微彎曲的單面模具上。ATL 機(jī)器上的末端執(zhí)行器可以包括：

　　輥

　　加熱元件，用于在沉積時進(jìn)行散裝和粘合層

　　切割機(jī)用于在新位置開始之前切割膠帶

　　膠帶通常為3至12毫米寬，但連續(xù)纖維嵌入熱塑性或熱固性膠帶中時可達(dá)300毫米。熱固性樹脂通常在ATL操作后在高壓釜中固化，而熱塑性膠帶需要在膠帶鋪設(shè)頭上預(yù)熱器。多層膠帶相互疊加，對纖維取向具有出色的控制。

　　ATL 疊層工藝可實(shí)現(xiàn)非常高的沉積速率，甚至達(dá)到每小時 45 公斤。唯一的問題是它需要昂貴的預(yù)浸料。

　　另一種稱為長絲纏繞的技術(shù)將光纖沉積到旋轉(zhuǎn)的 心軸 — 一種用于生產(chǎn)管狀結(jié)構(gòu)的單面模具。當(dāng)心軸旋轉(zhuǎn)時，它會從線軸中拉出纖維......它們又在旋轉(zhuǎn)軸上上下移動以控制纖維取向。長絲纏繞與預(yù)浸料膠帶以及動態(tài)浸漬的干纖維兼容 - 就在沉積之前。對于后者，干燥的纖維在稱為 濕溫丁g，其優(yōu)點(diǎn)是將材料成本降至最低。使用長絲纏繞，所生產(chǎn)的工件的輪廓不需要完全圓形，但需要連續(xù)凸出。纖維中的張力導(dǎo)致良好的壓實(shí)和對纖維取向的合理良好控制——盡管控制纖維的軸向排列是不可能的。

　　窄帶自動光纖鋪放(AFP)和自動絲束鋪放(ATP)工藝現(xiàn)已廣泛用于飛機(jī)生產(chǎn)。通過這些方法，一系列窄的預(yù)浸料帶同時沉積在工件上。AFP和ATP結(jié)合了長絲纏繞和自動鋪帶的許多優(yōu)點(diǎn)。然而，它們提供了比ATL工藝更緊密的曲線的額外好處，同時仍然保持高沉積速率?？梢允褂霉潭＞吆托D(zhuǎn)心軸。

　　樹脂傳遞模塑或 RTM 類似于注塑成型。它使用封閉的模具，將樹脂注入其中，盡管速度比注塑成型慢得多。(用RTM填充模具通常需要5到20分鐘。必須首先切割、組裝干纖維預(yù)制棒并將其放入模具中......這通常由接受大量人工干預(yù)的六軸機(jī)器人執(zhí)行。RTM的好處是添加劑工藝可以在非常嚴(yán)格的公差下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的形狀。

　　3D打印和自動化復(fù)合材料制造之間的主要工藝差異

　　3D打印和自動化復(fù)合材料制造之間最明顯和最根本的區(qū)別與它們的模具要求有關(guān)。

　　3D打印只是在平坦的底板上構(gòu)建材料，在懸垂或空心結(jié)構(gòu)所需的位置構(gòu)建自己的支撐結(jié)構(gòu)。因此，它不需要特定于零件的工具 - 允許以低成本快速構(gòu)建一次性設(shè)計(jì)。相比之下，所有自動化復(fù)合材料制造過程都將材料沉積到某種形式的模具工具上，模具工具定義了組件的最終形式。這意味著在實(shí)際的復(fù)合材料制造開始之前，通常需要昂貴且耗時的加工操作，這使得這些方法不太適合快速和一次性原型制作。

　　3D打印和自動化復(fù)合材料制造之間的其他差異與其整體復(fù)雜性有關(guān)。雖然3D打印本質(zhì)上是一個單一的過程(材料沉積后的粗糙度去除和清理量相對適中)，但復(fù)合材料制造通常涉及多個精加工過程。組件可以鋪在模具上，在鋪層之間進(jìn)行多次壓實(shí)和減瘤操作......并且可能還需要隨后的高壓釜固化。雖然復(fù)合材料制造可能會產(chǎn)生更高性能的工件，但它也需要更多的資本密集型設(shè)備和專業(yè)知識。

　　圖 2：請注意左側(cè) 3D 打印的減瘤工藝和右側(cè)的自動化復(fù)合材料制造之間的差異。(圖片來源：Jody Muelaner)

　　壓實(shí)或減瘤操作有時使用壓路機(jī)或真空袋進(jìn)行。這些技術(shù)可以改善纖維分?jǐn)?shù)，還可以防止起皺等問題?？紤]以下示例，如果下層沒有首先減瘤，則外層容易起皺。

　　圖 3：增材制造問題包括橋接和壓實(shí)。(圖片來源：Jody Muelaner)

　　增材制造工件的拐角處可能會出現(xiàn)兩個問題：橋接和壓實(shí)。橋接會影響內(nèi)部半徑，其中層可能不完全符合模具或先前的層導(dǎo)致空隙。壓實(shí)會影響外半徑，并且是由于減瘤力和固結(jié)力過度集中在減少工件拐角處的材料厚度上造成的。

　　提高碳纖維增強(qiáng)塑料的性能

　　通過增材制造制造的增強(qiáng)工件基本上是碳纖維增強(qiáng)塑料或 CFRP 含有通過聚合物基質(zhì)粘合在一起的纖維的碎片。CFRP部件的強(qiáng)度不受單個碳纖維強(qiáng)度的限制，而受以下因素的限制：

　　碳纖維占總材料含量的百分比

　　光纖-矩陣接口的精確子類型

　　纖維取向

　　纖維分?jǐn)?shù)是碳纖維在部件總質(zhì)量中的百分比。由于碳纖維在很大程度上賦予了CFRP強(qiáng)度，因此當(dāng)纖維分?jǐn)?shù)非常高時，可以實(shí)現(xiàn)更高的性能...使用剛好足夠的基質(zhì)材料來有效地將纖維固定在一起。但是，這里有一個注意事項(xiàng)需要考慮。

　　纖維-基體界面是單個碳纖維表面與聚合物基體之間的鍵合。通常在這些接口上實(shí)際發(fā)生故障。實(shí)現(xiàn)良好光纖基質(zhì)界面的第一階段是確保光纖完全 濕潤 在復(fù)合材料的形成過程中，使聚合物實(shí)際上滲透到所有纖維中。真空袋和壓實(shí)可以顯著改善潤濕和可以達(dá)到的纖維分?jǐn)?shù)。最佳纖維組分通常為55%至65%，因?yàn)樵摲秶纱_保完全潤濕。使用3D打印也可以獲得高纖維分?jǐn)?shù)。

　　基質(zhì)材料類型也會影響纖維-基質(zhì)界面;高壓釜固化的熱固性樹脂通常比熱塑性塑料具有更高的性能。

　　結(jié)論

　　通過自動化復(fù)合材料制造制造的工件目前比含有碳纖維的3D打印零件具有更高的性能...盡管這似乎沒有什么根本原因?，F(xiàn)代熱塑性塑料現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)高的性能，并且在自動化飛機(jī)零件的制造和其他嚴(yán)格應(yīng)用中越來越普遍。

　　很快，通過結(jié)合碳纖維增強(qiáng)的3D打印工藝制造的部件可以與通過傳統(tǒng)熱塑性復(fù)合材料方法制造的部件的性能相媲美。然而，傳統(tǒng)的鈑金加工和機(jī)床方法(例如，嚴(yán)格控制的模具線需要)可以實(shí)現(xiàn)的精密表面和形狀是3D打印不太可能很快與之匹敵的一個領(lǐng)域。