短纤维与长纤维：3D打印中选择什么类型的增强材料？ - 广州国际3D打印展

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当我们想要赋予3D打印部件特定且优越的性能时，我们通常会求助于复合材料。它们甚至比某些金属更坚固并且具有高性能。复合材料由两种或多种材料制成，与原材料相比，这些材料组合起来可获得新的或改进的性能。正如你可以想象的那样，有很多。我们在这里将重点关注由聚合物基体和纤维增强材料形成的复合材料。在3D打印行业中，碳纤维、玻璃纤维和Kevlar是用于复合材料的三种最常见的纤维类型。

在本文中，我们将特别关注构成增强材料本身的短纤维和长纤维之间存在的差异。根据您所做的选择，您将获得不同的结果并使用不同的技术-我们今天对挤出特别感兴趣，因为它是最常见的。那么这两种技术之间有何异同？如何为特定应用选择最合适的加固类型？

图1：照片来源：Anisoprint

短纤维和长纤维复合材料的特性

短纤维是指较小的纤维材料块，其长度可以从几厘米到几毫米甚至更短。这个过程类似于用钢筋加固混凝土的过程。纤维分散在整个塑料基体中，并在整个材料中起到增强作用。另一方面，长纤维或连续纤维是延伸打印部件整个长度的长纤维。这些纤维在3D打印过程中嵌入塑料基体中，形成结合了两者特性的复合材料。在讨论增材制造工艺本身以及创建这些零件时要考虑的要点之前，了解两种增强材料的特性非常重要。

在这两种情况下，我们发现相同的成分：增强材料（纤维）和基质（聚合物）。第一个提供机械性能，而第二个起到容器的作用，并在树脂的帮助下确保两个元件的内聚力，也就是说在生产过程中纤维与材料的粘附。一旦选择了基体化合物（最常见的聚合物是PLA、ABS、聚丙烯、HIPS、PETG等）和增强纤维（玻璃、碳或芳纶），它们就会组合成单一材料。

短纤维可以通过挤出工艺获得：将纤维和基体的混合物熔融并挤出形成单丝。在此过程中，可以控制温度和速度以确保良好的纤维分布。另一方面，当连续纤维形成长丝时，可以通过将混合物与树脂混合、聚合和固化的过程与特殊树脂共挤出。在某些情况下，有些生产系统可以在连续层的沉积过程中同时直接模制基体和增强材料，但我们稍后会再讨论这一点。在这两种情况下，短纤维和长纤维必须清洁且无污染物，以确保与聚合物基体的良好粘附力。

图2：基质中短纤维和长纤维排列的差异（图片来源：科倍隆）

如果我们关注增强材料本身的性能，我们会发现它们根据用作基体的聚合物和纤维类型的选择而显着不同。显然，如果基础塑料材料是高科技聚合物，则复合材料将比标准基体塑料具有更先进的性能。例如，如果复合材料具有聚丙烯基体，则它将具有良好的基本耐磨性、良好的减震能力以及更大的韧性和柔韧性。另一方面，如果使用PLA，复合材料将更容易打印，但由于材料强度低，更容易破裂。

正如我们提到的，纤维主要分为三种类型：短纤维和连续纤维：碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维（凯夫拉纤维）。碳纤维在制造业中应用最广泛，因为它们赋予最终零件高强度和刚度。玻璃纤维增强材料通常更容易获得，并且也提供良好的强度，尽管不如碳纤维那么高。最后，凯夫拉纤维因其高抗冲击性和抗冲击性而经常用于防弹背心。在所有情况下，使用纤维的目的是获得坚固且轻质的部件。

3D打印工艺

大多数能够加工复合材料的3D打印机都是基于挤出技术。当谈到短纤维的FFF 3D打印时，该过程是经典的。将短纤维切成小块，与塑料材料混合，形成细丝线轴，供3D FFF机器使用。在这种情况下，纤维只是悬浮在热塑性塑料中，然后加热并挤出以逐层形成部件，就像使用该技术制造的任何其他部件一样。然而，需要钢喷嘴来抵抗磨料纤维束。

另一方面，长纤维复合材料的3D打印则更为复杂。在材料挤出过程中，常常需要第二个喷嘴来分别沉积基体和纤维。另一种方法是使用能够将纤维与基体混合的单个打印头。该过程涉及将连续纤维以特定方向放置在基质内。后者充当包含增强纤维的封套。为了确保纤维与基体的粘附，通常使用热固性树脂。然后使用紫外线或热源进行聚合以融合各层和材料。由于3D打印长纤维复合材料有许多专有技术，因此工艺描述故意采用通用性。

图3：聚合物基体和Kevlar纤维增强材料的3D打印（照片来源：Markforged）

纤维（尤其是连续纤维）打印的一个重要方面是使用有限元分析（FEA）软件，这是一种预测产品对力和外部刺激如何响应的计算机化方法。这使得分析材料特性并精确定义长纤维在基体中的排列方式成为可能。另一方面，这也意味着尊重某些设计限制，以有利于纤维的正确定位，从而有利于零件的性能。因此，材料的具体性能将根据受控过程来定义。这对于短纤维来说是不同的，因为我们无法控制沉积的纤维的数量和位置，因为它们与基质是一体的。

短纤维和长纤维的优点和局限性

众所周知，与传统方法相比，复合3D打印的主要优势包括更高的灵活性和生产速度，以及创建复杂零件的能力。此外，正如我们刚才提到的，如果使用连续纤维，该技术的一个重要优点是它可以控制沉积过程并决定在何处以及如何放置最终部件的增强材料。

两种类型的纤维都比非增强塑料具有更高的机械强度。特别是，它们提高了材料的刚性并提高了其抗疲劳和抗冲击能力。此外，碳纤维等纤维非常轻，有助于减轻零件的重量。同样，短纤维和长纤维也有一定的局限性。例如，需要特定的3D打印设备来生产它们。加工复合材料时需要考虑许多方面，例如纤维和塑料基体之间的粘合力，这可能是一个挑战。

与长纤维相比，短纤维的主要局限性在于它们提供的增强效果较差。事实上，短纤维沿复合材料的取向和分布更加随机，而连续纤维是恒定的。因此，短纤维的增强效果不太明显，这对于需要高强度的应用来说可能不够。然而，短纤维复合材料的主要优点之一是它们比连续纤维复合材料更容易加工并且通常更便宜。最后，短纤维可以与更广泛的塑料材料一起使用，从而实现更大的设计灵活性。

应用领域

纤维和聚合物基体的选择显然取决于应用和所需的性能。长纤维非常适合需要高强度和刚度的应用，而短纤维更适合需要易于加工和降低成本的项目。这就是为什么连续纤维最常用于高科技领域的结构部件，例如汽车（底盘增强件或内部部件）或航空航天（支撑结构和飞机部件）。它们还可用于需要高阻力的消费品，例如自行车或运动器材。另一方面，3D打印短纤维复合材料也常用于生产原型。它们还经常用于包装行业、机器人、消费品和其他不需要高拉伸强度的部件。

图4：用碳纤维增强的PEEK部件（照片来源：Weerg）

生产厂家及价格

短纤维和长纤维复合材料的3D打印解决方案虽然不如标准聚合物和金属的3D打印解决方案那么多，但种类繁多，从机械臂到工业打印机再到解决方案办公室。在连续纤维3D打印解决方案提供商中，Markforged提供连续纤维制造(CFF)技术以及一系列工业和办公解决方案。它们能够打印以碳纤维、Kevlar或玻璃纤维增强的PLA、TPU、白色尼龙、Onyx™和ULTEM复合材料。Anisoprint还提供使用复合纤维共挤(CFC)技术的连续纤维3D打印解决方案。由于开放系统，办公解决方案在材料选择方面提供了极大的灵活性，而ProM IS 500工业解决方案与PEI、PEEK、PEKK等高性能塑料兼容。其他提供连续纤维3D打印解决方案的公司包括Continuous Composites或CEAD，它提供LFAM解决方案。

图5：照片来源：Anisoprint

更多初创企业正在研究连续纤维复合材料的新3D打印工艺并为其申请专利，其中包括Moi Composits、SphereCube、Fabheads、9T Labs和Arevo。

请注意，生产过程中不仅存在加固技术。例如，西班牙初创公司Reinforce 3D设计了CFIP（连续纤维注射工艺）技术，在增材制造后的后处理阶段用连续纤维增强零件。

说到短纤维复合材料3D打印机制造商，主要有能够加工碳纤维或其他纤维增强高性能材料的FFF机器制造商。其中包括Roboze、Stratasys、3ntr、miniFactory、BigRep、WASP或Creality（列表并不详尽）。

文章来源：魔猴网

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