3D打印技术在复合材料行业中的应用（上）

       3D打印又称增量制造、增材制造或直接数字化制造。3D打印的过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成很薄的2D横截面，即切片。打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来, 从而制造出一个实体。这种技术的特点在于它几乎可以造出任何形状的物品。

 

       打印机打出的截面的厚度（即Z方向）以微米或毫米计，有的打印机甚至可以打印出16微米薄的一层。而平面方向即X-Y方向的分辨率则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。 

 

       传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以以更快、更灵活以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。但随着技术的发展，3D打印正逐渐走向量产化。

 

       3D打印技术在复合材料制造中的应用实例

       3D打印用于复合材料制造有多种方式。从以下实例，可以看出用3D打印技术制造复合材料制品的发展轨迹和现状。

 

       美国橡树岭国家实验室（ORNL）及其合作伙伴

       2014年秋天，在美国芝加哥的IMTS展览会上，橡树岭国家实验室和辛辛那提公司展示了世界上第一个3D打印的用短纤维增强的复合材料汽车车身。他们与美国Local汽车公司合作，用44小时打印了名为Strati的电动敞篷跑车车身及其他几个部件。Strati是一辆680公斤的双座汽车。随后，这辆车在两天内完成组装，并在展会结束前驶离IMTS新兴技术展台。

 

       Strati汽车由短切碳纤维增强丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）塑料制成，采用熔融沉积成型（FDM)方法。所用原料是由SABIC公司供应的粒料，粒料与注塑用的粒料相似。粒料以真空喂料方式从2m x 2m x 2m 的料斗喂入单螺杆挤出机中。螺杆将粒料压入一个套筒，在此将粒料加热到约210℃。然后，熔融增强塑料通过直径为8mm的挤嘴挤出。在经过切片算法计算的CAD图的指导下，挤嘴沿着一高架移动，沉积约4mm厚的材料层。此材料层在几秒钟内冷却后，即可沉积另一层。有一个被加热的台子，可以让这些铺层保持足够的温度，使它们彼此粘在一起。

 

       该示范项目作为3D打印汽车的一个挑战，利用了由辛辛那提公司与ORNL合作建造的大面积增量制造 ( BAAM ) 机器的大尺寸打印能力。

 

       ORNL相关人士说：“我们是一家研究机构，不从事汽车制造。但是Strati是一个很好的试例。如果你能打印一辆汽车，你就可以打印任何东西。”

 

       大规模增量制造的概念起源于20世纪90年代末的洛克希德马丁公司。其最终愿景是采用多个机械臂控制的挤出沉积头，利用先进的热塑性复合材料来制造飞机。不久之后，美国能源部向ORNL的制造示范基地下达任务, 令其将3D打印技术发展成工业规模的制造过程。2014年初，Local汽车公司和辛辛那提公司加入了这一项目。三家公司以2014年IMTS展览为目标。Local汽车公司于3月宣布了3D打印汽车的设计，辛辛那提公司和ORNL则致力于建造打印Strati部件的机器。

 

       据介绍， 大面积增量制造（BAAM）的设计目标是要适应各种各样的材料，允许更多的灵活性和低成本的选择。迄今为止的试验塑料包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚苯硫醚（PPS）、聚苯砜（PPSU或PPSF）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK）和聚醚酰亚胺（PEI）。作为增强材料，碳纤维和玻璃纤维都被用过，结果表明打印部件的强度和热稳定性得到了改善。通常情况下，这些粒料中的纤维直径为5-7 μm，长度为500 μm至0.5 mm。ORNL还试用过含有纳米纤维和石墨烯的聚合物。

 

       3DSYSTEMS

  

       3DSYSTEMS在2001年购买了美国DTM公司于20世纪80年代后期研发的激光烧结技术。在一种类似于光固化立体造型的方法中，3D系统公司的选择性激光烧结（SLS）工艺使用二氧化碳激光的热量来处理粉末状而非液体状的各种材料，包括尼龙和玻璃纤维或碳纤维填充尼龙。在一个与印刷车间影印机大小相当的封闭装置中，二氧化碳激光器和镜子反射系统安装在一个支撑制件的台子或底座上。一个辊子将一薄层粉末材料分布在底座表面上，然后镜子系统将激光束引导到粉末层上。当光束在材料上来回扫描时，激光器不停打开和关闭，选择性地把粉末烧结（将粉末颗粒加热至熔化），使其尺寸和形状与计算机辅助设计（CAD）文件得出的横截面切片相同。然后降低底座，将另一层粉末撒布到经过冷却现已固化的第一层上，烧结，使第二层粘合到第一层上。该过程重复进行，使厚度为0.08 mm至0.15 mm的各层叠合，直到制件完成。

 

       美国MarkForged公司

       2014年初，MarkForged公司推出了第一台能够打印连续碳纤维增强聚合物结构的市售3D打印机，尽管其尺寸有限。

 

       MarkForged公司的创意总监Jeff Klein声称：“3D打印作为一种制造工艺是有意义的，它允许您根据个人需要定制每个零件，而不需要花费很多成本或时间。”他说，他的公司的MarkOne打印机可用来加固矫形鞋，例如，可以在足弓或脚跟部分铺放纤维，或在某些部位以45°铺放纤维，以纠正脚跟撞击，或纠正步态。 他将此与过去40年中制造这些矫形器具的方法进行了比较。他总结道，过去在花了数千美元和3-4周之后，这种器具可能做好。相比之下，3D打印复合材料不仅降低了成本，而且可以在订购的同一周内拿到矫形器具。

  

       顺应十年来复合材料的普遍趋势，MarkForged公司的最新能力是打印带有一体化传感器件的连续纤维增强复合材料，以增加打印制品的功能。例如, 在鞋跟中埋入压力传感器可以监测撞击力。同时，现在的矫形器附有条形码（在一个月内会消失），并埋有RFID标签。当遇到问题时，扫描标签就会自动提取标签上的所有信息。”

 

       Klein看到了几乎无限的机会。例如，打印赛车的零部件时, 只需将这些部件与内部的荷重传感器一起打印出来，即可提供供空气动力学模拟和分析使用的数据。同时还可以加入加速度计和其他类型的传感器。”

 

       作为3D打印连续纤维复合材料的先驱，MarkForged公司为其X7打印机建立了坚实的客户基础。这种打印机目前主要用于小型生产，但MarkForged公司产品副总裁Jon Reilly预计会发展到小量生产和大量生产相结合。Reilly注意到，目前的连续纤维3D打印产品是高价值、小批量的部件，他预计随着打印机制造商降低打印成本和材料成本，目标市场将向相对高产量、低价值的部件发展。

  

       MarkForged公司的连续纤维打印系统使用专门的预浸丝束和专门开发的热塑性树脂。该系统使用两个打印头，一个用于基体树脂，另一个用于预浸丝束。技术改进的重点是可靠性和可重复性。