碳纖維3D列印領域的企業和技術

2020-12-06 騰訊網

經過多年的研究，基於伊利諾州的Impossible Objects已開始商業化其基於複合材料的增材製造（CBAM）工藝。在CBAM中，粘合材料先沉積在增強材料片上，然後再用熱塑性粉末填充，該粉末僅粘在粘合材料上。隨後將粉末吹出或抽真空。剩下的只是增強纖維片上的塑料基質。相同的過程一層又一層地繼續進行，這些薄片一個接一個地堆疊。最終將堆疊物壓縮並移入將塑料基質融化在一起的烤箱中。從烤箱中取出物體後，使用化學浴或砂塑料將多餘的基質材料除去，剩下最終物體。

增強材料的範圍從碳纖維和玻璃纖維到聚酯，聚乙烯醇，PLA甚至絲綢和棉花。由於粉末在最初沉積時不會熔化，因此基質材料的種類可能比其他3D列印過程寬得多。目前，該公司已演示了PEEK和Nylon 12的用法，但正在開發一種用於CBAM的彈性體以及其他材料。

股骨柄植入物部分由碳纖維-PEEK複合材料3D列印

使用這種技術列印的物體可以比通過熔融沉積建模（FDM）製成的零件強10倍。 CBAM-2 3D印表機能夠使用12英寸x 12英寸的紙張進行列印，但是該公司的創始人Robert Swartz設想能夠列印整個汽車引擎蓋一樣大的零件，並且速度可以達到每分鐘100米。

幾何形狀受所需的後處理限制。噴砂將限制形狀的複雜性，因為很難達到內部幾何形狀。化學過程使結構更加複雜，因為多餘的物質被溶解掉了。儘管CBAM不能製造出與使用傳統複合材料製造的零件一樣堅固的零件，但與使用傳統技術生產的零件相比，它可以更快地製造更複雜的零件。而且還非常節省勞動力。

CBAM-2仍然是新的上市產品，已於2019年5月推出，預計將於今年第三季度交付。但是，尚未發布有關初始發貨的消息。我們確實知道Impossible Objects的旗艦Model One系統確實向包括福特汽車公司和捷普公司在內的客戶推出。

CEAD

Leapfrog 3D印表機的兩位前聯合創始人Lucas Janssen和Maarten Logtenberg離開了臺式機3D列印業務，以開發大型連續碳纖維3D印表機。兩人成立了一家名為CEADgroup的公司，致力於創造出大型，快速，可靠且能夠生產堅固零件的產品。結果就是連續纖維增材製造（CFAM），據該公司稱，該工藝可以以15公斤/小時的速度3D列印尺寸為4m x 2m x 1.5m的零件。如在注塑成型行業中通過使用工業擠出機和料鬥來處理塑料顆粒，可以實現快速沉積速度。迄今為止可以印刷的基質材料包括PET，PP，ABS和PEEK。增強材料僅限於碳纖維和玻璃纖維，但該公司希望擴大到包括光學玻璃，銅和鋼纖維。

CEAD聲稱CFAM通過加入連續纖維增強材料可以使部件的強度提高六倍，但是尚未公開將增強材料送入印刷品的確切性質。

阿雷沃（ Arevo）

Arevo是矽谷的一家初創公司（部分由CIA的In-Q-Tel支持），已經開發了一種基於雷射的碳纖維列印方法。該過程將沉積預浸漬的連續碳纖維長絲，並同時用雷射加熱它，然後用輥將其壓縮到構建表面上。沉積頭安裝在多軸機械臂上，可以在最適合零件設計的任何方向上進行3D列印，從而彌補或利用碳纖維的各向異性。 Arevo開發的軟體還可以通過使用仿真來優化設計。到目前為止，Arevo已通過為多家公司製造自行車車架展示了其定向能量沉積（DED）技術的功能。最近，它與日本的AGC合作提供製造即服務。

連續複合材料

另一家開發3D列印連續碳纖維方法的初創公司是位於愛達荷州的Continuous Composites。其連續纖維3D列印（CF3D）方法將一卷幹碳纖維送入安裝在七軸工業機器人的列印頭中。在列印頭內部，纖維用快速固化的光敏聚合物樹脂浸漬，然後通過末端執行器抽出，並立即用強大的能源固化。像Arevo的機器人一樣，七軸臂可以使纖維以克服或利用材料的各向異性特性所需的任何方式進行定向。與Arevo不同，幹碳纖維被用作起始材料，有可能改善最終零件的物理性能並開放各種可用的基質材料。有趣的是，樹脂的固化還允許CF3D工藝在空中列印。

迄今為止正在開發的增強材料包括：碳纖維，玻璃纖維，凱夫拉爾纖維，連續銅線，連續光纖，鎳鉻合金線和碳化矽。雖然可以使用光纖將傳感器嵌入零件內，但是銅線可以嵌入電子器件，而鎳鉻合金可以為除冰應用產生熱量。Continuous Composites正在開發自動工具更換，以交換裝有不同纖維和樹脂的列印頭。樹脂正在與潛在的客戶一起開發，但是到目前為止，該公司已經開發了一種耐候，耐紫外線的塑料，具有高玻璃化轉變溫度，並且該材料符合聯邦航空局的煙，火和毒性要求。

短切碳纖維比連續碳纖維要弱。但是，Fortify是一家初創公司，憑藉其數字複合材料製造（DCM）技術，該材料的分段特性具有獨特優勢。DCM是一種新型的數字光處理（DLP）技術，其中使用投影儀來固化光敏聚合物樹脂。在DCM的情況下，液體中會填充增強添加劑，例如切碎的碳纖維，這些添加劑會在列印過程中使用磁場對齊。

反過來，可以在必要時對添加劑進行定向，以實現整個零件的最佳物理性能。 DCM可以生產與標準DLP零件具有相同幾何複雜度的零件，但支撐結構較少且懸垂較大。到目前為止，該公司仍處於早期階段，為潛在客戶製造零件，但是到目前為止開發的增強材料包括碳纖維，玻璃纖維和高溫陶瓷添加劑。特別是，該公司認為其技術對於注塑成型的印刷工具很有價值。

另外還有更多的知名公司和研究機構用碳纖維做有趣的事情。 2016年，EnvisionTEC展示了一款大型3D印表機，據說該印表機能夠進行3D列印複合材料。Stratasys還曾與西門子一起開發一種碳纖維3D列印方法，但在這方面也沒有任何更新。

橡樹嶺國家實驗室（ORNL）也一直在研究這種材料，已經協助辛辛那提公司提供了大面積增材製造技術。該工藝的特點是將短纖維填充的塑料迅速沉積到接近最終形狀，並負責3D列印Shelby Cobra複製品以及Local Motors的車輛。

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