3D打印碳纤维和其他复合材料

复合材料对3D打印的作用

复合纤维增强了传统3D打印零件的特殊性能-通常具有强度，刚度，耐热性和耐久性。这使它们比3D打印中使用的更传统的热塑性塑料（如ABS或PLA）具有强度优势，因此3D打印的应用可以通过这些附加材料及其带来的性能来扩展。

热塑性塑料是可以改变状态而不会改变化学性质的塑料。这使它们成为流行的3D打印材料，因为它们可以轻松地熔化，逐层挤出并立即冷却成一定形状。但是，使其适合3D打印的特性使其不适用于工程强度应用-这些热塑性塑料中的许多具有相对较低的熔点，并且不是很坚固。

另一方面，复合材料是由多种材料组成的零件，这些材料在组合时具有与原始材料不同的特性。像混凝土和刨花板这样的材料可以被认为是复合材料，因为它们是多种材料的混合物。

但是，从工程角度讲复合材料时，通常是指具有增强纤维的复合材料。碳纤维，玻璃纤维和凯夫拉尔纤维是工业上用于复合材料的三种最常见的纤维材料。

正如我们在3D打印物理学中介绍的那样，纤维像意大利面条-细，脆，弯曲时容易折断。这些纤维几乎从未被单独使用过，它们被编织成片状，包裹成棒状，或者借助基质材料将其成型为定制的成型形状，以将纤维硬化成最佳形状。当许多纤维束缚在一起以创建更大的结构元素时，力可以沿所有纤维的长度分布和分散载荷。

将玻璃纤维束放在模具中，并用热固性树脂固化。

碳纤维是目前强度/重量比最高的之一，因此对于制造轻巧坚固的零件非常有价值。纤维本身由碳原子组成，碳原子的晶体结构排列成股，使股的张力异常强。

传统上，将热固性树脂用作粘合剂，以将这些纤维定型为指定形状，并固化在泡沫等基体材料周围。因此，您可以通过将泡沫“夹在”纤维编织片之间并用树脂将其固化来创建夹心板。在3D打印的情况下，光纤可以采用两种不同的形式：

短切纤维是将短长度的纤维切成小于一毫米的片段，然后混入传统的热塑性塑料中形成所谓的填充塑料。这些可以通过FDM打印过程进行打印。

连续纤维需要略有不同的3D打印方法，其中将连续纤维束涂在固化剂中，然后放到通过辅助打印喷嘴挤出的热塑性基质中。此过程称为连续纤维制造（CFF）。

无论采用哪种方式添加纤维，添加纤维都会提高零件强度和其他材料性能，但是其添加量取决于纤维的使用方式以及所使用的纤维。一般而言，连续碳纤维3D打印要比短切碳纤维3D强，因为连续性会分配任何施加的负载。

短纤维3D打印材料

切碎的纤维填充塑料是复合3D打印塑料的最常见类型。切碎的复合3D打印材料是使用最广泛的切碎碳纤维-碳纤维碎片与传统的3D打印塑料（例如尼龙，ABS或PLA）混合在一起。

将这种“填充物”添加到热塑性塑料中就是一种材料增强包。纤维承受零件的某些应力，例如如何将混凝土添加到水泥中以增强其强度。

纤维可承受零件上的某些外加应力，从而提高了通常较低等级材料的性能。碳纤维的添加还改善了机械性能的热稳定性，从而拓宽了工作温度范围，并提高了高温和低温下材料性能的可预测性。

在SEM上拍摄的3D打印中使用的短切碳纤维特写镜头。
 

将这些纤维切成细片，然后混入塑料中，然后将其挤出到线轴中，以与基于材料沉积的3D打印机一起使用。在这种情况下，3D打印过程保持不变，因为纤维只是悬浮在热塑性塑料中-因此它像其他任何FFF样式的3D打印一样被加热，挤出和冷却成零件。

切碎的复合3D打印材料会使用可能缺乏某些特性的普通塑料来增强它。在碳纤维的情况下，纤维增强了零件的强度，刚度和尺寸稳定性，从而使其性能高于其基础塑料。

可以像普通的3D打印塑料一样使用切碎的碳纤维3D打印材料，从而提高某些材料的性能。

纤维的数量和切碎段的长度会影响零件的强度和质量。不同的供应商将不同数量的纤维混入其塑料中，从而产生具有不同强度的材料。

低于一定阈值，纤维可提高表面光洁度和印刷质量。超过该阈值，将大量的更长的纤维混合，您将获得更坚硬的材料，但是却牺牲了表面光洁度和零件精度，因为整个材料中塑料所占的百分比较小。热塑性塑料是混合物必不可少的，因为它可以使印刷过程顺利进行，因此您的零件只能变得如此坚固。

连续纤维3D打印

连续纤维3D打印在零件上添加了连续的纤维增强束（回想一下纤维束），从而以重量的一小部分实现了金属强度性能。打印机使用两个打印喷嘴，从热塑性塑料中构建基体材料，然后将连续纤维的连续股线熨平到零件中。此过程称为连续纤维制造（CFF）。

用复合纤维印花喷嘴将连续的凯夫拉纤维束熨烫到该零件中，以提高其抗冲击性。热塑性基质材料形成零件的表皮和芯部。

CFF的力量来自股线的连续性。与短切纤维不同，连续股线可以吸收和分布整个长度上的负载。当放置在热塑性基质中时，零件可以承受更高的载荷并吸收更大的冲击力。这使得这些零件能够以重量的一小部分实现金属的强度。

连续纤维形成3D打印零件的主干，因为载荷沿其长度分布，而不是分布在塑料中。
 

CFF 3D打印过程每层包括两个步骤-首先，将热塑性塑料挤出以形成零件的填充物和外壳-这是复合材料的“基体”材料。接下来，将连续纤维熨烫到该基质中，并通过使用相容的树脂涂层将其与热塑性塑料融合。此过程逐层重复，使纤维形成3D打印部件的主干，而热塑性塑料则起着表皮的作用。此过程也类似于如何在混凝土内部铺设钢筋以对其进行加固。

纤维形成零件的“骨干”，并且可以以特定的样式铺放，以优化零件的强度，以减轻其重量和材料消耗。您可以根据零件承受载荷的方式将纤维放置在特定区域，从而将强度精确地放置在所需的位置。

这与基于标准沉积的3D打印机（包括短切纤维）非常不同，因为这些方法在整个零件中均具有均匀的特性分布。不同的纤维增强选项可用于不同的负载条件和行为。您可以在“纤维增强策略”中了解有关不同增强策略的更多信息。

多种不同的纤维也可以用于加固，具体取决于零件需要具有的材料特性。Markforged 3D打印机提供了几种不同的纤维材料，因此您可以选择增强材料的强度特性：

碳纤维是一种坚硬而坚固的纤维，其性能类似于6061铝，因此可用于支撑重负载的轻型组件。

这种3D打印的碳纤维连续时可以与铝的强度相匹配。两者都支持27.5磅的负载。
 

玻璃纤维是一种坚固，具有成本效益的增强材料，并且具有一定的柔韧性。它提高了零件强度，使其高于塑料，是增强印刷的良好起点。

玻璃纤维是坚固的3D打印纤维选件，在支撑7.5磅的重量时，其强度超过了短切纤维，ABS和PLA的强度。

 

凯夫拉尔纤维具有很高的韧性和抗冲击性，使其非常适合冲击载荷和高冲击条件。它弯曲而不是断裂。

PLA，ABS和Kevlar增强型3D打印零件在敲击重锤时会受到冲击！
 

高强度高温（HSHT）玻璃纤维因其高的热变形温度而在高温下保持其强度和刚度。它的耐热性使其可以在更极端的环境中使用。

在烤箱中将每根光束加热到华氏300度后执行此测试。HSHT在高温下不会失去强度，因此仍可承受5磅的负载。
 

因此，在为满足特定材料需求选择不同的纤维类型，以及控制可以逐层放置纤维的位置之间，您可以控制零件的行为和性能。这是连续3D打印复合材料比短切纤维材料具有的主要优势之一。您不仅可以获得更坚固的零件，而且还可以生产针对其应用进行优化的零件。