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短纖維與長(zhǎng)纖維:3D打印中選擇什么類型的增強(qiáng)材料?

魔猴君  知識(shí)堂   1天前

人氣 46

當(dāng)我們想要賦予3D打印部件特定且優(yōu)越的性能時(shí),我們通常會(huì)求助于復(fù)合材料。它們甚至比某些金屬更堅(jiān)固并且具有高性能。復(fù)合材料由兩種或多種材料制成,與原材料相比,這些材料組合起來(lái)可獲得新的或改進(jìn)的性能。正如你可以想象的那樣,有很多。我們?cè)谶@里將重點(diǎn)關(guān)注由聚合物基體和纖維增強(qiáng)材料形成的復(fù)合材料。在3D打印行業(yè)中,碳纖維、玻璃纖維和Kevlar是用于復(fù)合材料的三種最常見的纖維類型。

在本文中,我們將特別關(guān)注構(gòu)成增強(qiáng)材料本身的短纖維和長(zhǎng)纖維之間存在的差異。根據(jù)您所做的選擇,您將獲得不同的結(jié)果并使用不同的技術(shù)-我們今天對(duì)擠出特別感興趣,因?yàn)樗亲畛R姷?。那么這兩種技術(shù)之間有何異同?如何為特定應(yīng)用選擇最合適的加固類型?

1:照片來(lái)源:Anisoprint

短纖維和長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的特性

短纖維是指較小的纖維材料塊,其長(zhǎng)度可以從幾厘米到幾毫米甚至更短。這個(gè)過(guò)程類似于用鋼筋加固混凝土的過(guò)程。纖維分散在整個(gè)塑料基體中,并在整個(gè)材料中起到增強(qiáng)作用。另一方面,長(zhǎng)纖維或連續(xù)纖維是延伸打印部件整個(gè)長(zhǎng)度的長(zhǎng)纖維。這些纖維在3D打印過(guò)程中嵌入塑料基體中,形成結(jié)合了兩者特性的復(fù)合材料。在討論增材制造工藝本身以及創(chuàng)建這些零件時(shí)要考慮的要點(diǎn)之前,了解兩種增強(qiáng)材料的特性非常重要。

在這兩種情況下,我們發(fā)現(xiàn)相同的成分:增強(qiáng)材料(纖維)和基質(zhì)(聚合物)。第一個(gè)提供機(jī)械性能,而第二個(gè)起到容器的作用,并在樹脂的幫助下確保兩個(gè)元件的內(nèi)聚力,也就是說(shuō)在生產(chǎn)過(guò)程中纖維與材料的粘附。一旦選擇了基體化合物(最常見的聚合物是PLA、ABS、聚丙烯、HIPS、PETG等)和增強(qiáng)纖維(玻璃、碳或芳綸),它們就會(huì)組合成單一材料。

短纖維可以通過(guò)擠出工藝獲得:將纖維和基體的混合物熔融并擠出形成單絲。在此過(guò)程中,可以控制溫度和速度以確保良好的纖維分布。另一方面,當(dāng)連續(xù)纖維形成長(zhǎng)絲時(shí),可以通過(guò)將混合物與樹脂混合、聚合和固化的過(guò)程與特殊樹脂共擠出。在某些情況下,有些生產(chǎn)系統(tǒng)可以在連續(xù)層的沉積過(guò)程中同時(shí)直接模制基體和增強(qiáng)材料,但我們稍后會(huì)再討論這一點(diǎn)。在這兩種情況下,短纖維和長(zhǎng)纖維必須清潔且無(wú)污染物,以確保與聚合物基體的良好粘附力。

2:基質(zhì)中短纖維和長(zhǎng)纖維排列的差異(圖片來(lái)源:科倍隆)

如果我們關(guān)注增強(qiáng)材料本身的性能,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它們根據(jù)用作基體的聚合物和纖維類型的選擇而顯著不同。顯然,如果基礎(chǔ)塑料材料是高科技聚合物,則復(fù)合材料將比標(biāo)準(zhǔn)基體塑料具有更先進(jìn)的性能。例如,如果復(fù)合材料具有聚丙烯基體,則它將具有良好的基本耐磨性、良好的減震能力以及更大的韌性和柔韌性。另一方面,如果使用PLA,復(fù)合材料將更容易打印,但由于材料強(qiáng)度低,更容易破裂。

正如我們提到的,纖維主要分為三種類型:短纖維和連續(xù)纖維:碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維(凱夫拉纖維)。碳纖維在制造業(yè)中應(yīng)用最廣泛,因?yàn)樗鼈冑x予最終零件高強(qiáng)度和剛度。玻璃纖維增強(qiáng)材料通常更容易獲得,并且也提供良好的強(qiáng)度,盡管不如碳纖維那么高。最后,凱夫拉纖維因其高抗沖擊性和抗沖擊性而經(jīng)常用于防彈背心。在所有情況下,使用纖維的目的是獲得堅(jiān)固且輕質(zhì)的部件。

3D打印工藝

大多數(shù)能夠加工復(fù)合材料的3D打印機(jī)都是基于擠出技術(shù)。當(dāng)談到短纖維的FFF 3D打印時(shí),該過(guò)程是經(jīng)典的。將短纖維切成小塊,與塑料材料混合,形成細(xì)絲線軸,供3D FFF機(jī)器使用。在這種情況下,纖維只是懸浮在熱塑性塑料中,然后加熱并擠出以逐層形成部件,就像使用該技術(shù)制造的任何其他部件一樣。然而,需要鋼噴嘴來(lái)抵抗磨料纖維束。

另一方面,長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的3D打印則更為復(fù)雜。在材料擠出過(guò)程中,常常需要第二個(gè)噴嘴來(lái)分別沉積基體和纖維。另一種方法是使用能夠?qū)⒗w維與基體混合的單個(gè)打印頭。該過(guò)程涉及將連續(xù)纖維以特定方向放置在基質(zhì)內(nèi)。后者充當(dāng)包含增強(qiáng)纖維的封套。為了確保纖維與基體的粘附,通常使用熱固性樹脂。然后使用紫外線或熱源進(jìn)行聚合以融合各層和材料。由于3D打印長(zhǎng)纖維復(fù)合材料有許多專有技術(shù),因此工藝描述故意采用通用性。

3:聚合物基體和Kevlar纖維增強(qiáng)材料的3D打?。ㄕ掌瑏?lái)源:Markforged)

纖維(尤其是連續(xù)纖維)打印的一個(gè)重要方面是使用有限元分析(FEA)軟件,這是一種預(yù)測(cè)產(chǎn)品對(duì)力和外部刺激如何響應(yīng)的計(jì)算機(jī)化方法。這使得分析材料特性并精確定義長(zhǎng)纖維在基體中的排列方式成為可能。另一方面,這也意味著尊重某些設(shè)計(jì)限制,以有利于纖維的正確定位,從而有利于零件的性能。因此,材料的具體性能將根據(jù)受控過(guò)程來(lái)定義。這對(duì)于短纖維來(lái)說(shuō)是不同的,因?yàn)槲覀儫o(wú)法控制沉積的纖維的數(shù)量和位置,因?yàn)樗鼈兣c基質(zhì)是一體的。

短纖維和長(zhǎng)纖維的優(yōu)點(diǎn)和局限性

眾所周知,與傳統(tǒng)方法相比,復(fù)合3D打印的主要優(yōu)勢(shì)包括更高的靈活性和生產(chǎn)速度,以及創(chuàng)建復(fù)雜零件的能力。此外,正如我們剛才提到的,如果使用連續(xù)纖維,該技術(shù)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是它可以控制沉積過(guò)程并決定在何處以及如何放置最終部件的增強(qiáng)材料。

兩種類型的纖維都比非增強(qiáng)塑料具有更高的機(jī)械強(qiáng)度。特別是,它們提高了材料的剛性并提高了其抗疲勞和抗沖擊能力。此外,碳纖維等纖維非常輕,有助于減輕零件的重量。同樣,短纖維和長(zhǎng)纖維也有一定的局限性。例如,需要特定的3D打印設(shè)備來(lái)生產(chǎn)它們。加工復(fù)合材料時(shí)需要考慮許多方面,例如纖維和塑料基體之間的粘合力,這可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。

與長(zhǎng)纖維相比,短纖維的主要局限性在于它們提供的增強(qiáng)效果較差。事實(shí)上,短纖維沿復(fù)合材料的取向和分布更加隨機(jī),而連續(xù)纖維是恒定的。因此,短纖維的增強(qiáng)效果不太明顯,這對(duì)于需要高強(qiáng)度的應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能不夠。然而,短纖維復(fù)合材料的主要優(yōu)點(diǎn)之一是它們比連續(xù)纖維復(fù)合材料更容易加工并且通常更便宜。最后,短纖維可以與更廣泛的塑料材料一起使用,從而實(shí)現(xiàn)更大的設(shè)計(jì)靈活性。

應(yīng)用領(lǐng)域

纖維和聚合物基體的選擇顯然取決于應(yīng)用和所需的性能。長(zhǎng)纖維非常適合需要高強(qiáng)度和剛度的應(yīng)用,而短纖維更適合需要易于加工和降低成本的項(xiàng)目。這就是為什么連續(xù)纖維最常用于高科技領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)部件,例如汽車(底盤增強(qiáng)件或內(nèi)部部件)或航空航天(支撐結(jié)構(gòu)和飛機(jī)部件)。它們還可用于需要高阻力的消費(fèi)品,例如自行車或運(yùn)動(dòng)器材。另一方面,3D打印短纖維復(fù)合材料也常用于生產(chǎn)原型。它們還經(jīng)常用于包裝行業(yè)、機(jī)器人、消費(fèi)品和其他不需要高拉伸強(qiáng)度的部件。

4:用碳纖維增強(qiáng)的PEEK部件(照片來(lái)源:Weerg)

生產(chǎn)廠家及價(jià)格

短纖維和長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的3D打印解決方案雖然不如標(biāo)準(zhǔn)聚合物和金屬的3D打印解決方案那么多,但種類繁多,從機(jī)械臂到工業(yè)打印機(jī)再到解決方案辦公室。在連續(xù)纖維3D打印解決方案提供商中,Markforged提供連續(xù)纖維制造(CFF)技術(shù)以及一系列工業(yè)和辦公解決方案。它們能夠打印以碳纖維、Kevlar或玻璃纖維增強(qiáng)的PLA、TPU、白色尼龍、Onyx?和ULTEM復(fù)合材料。Anisoprint還提供使用復(fù)合纖維共擠(CFC)技術(shù)的連續(xù)纖維3D打印解決方案。由于開放系統(tǒng),辦公解決方案在材料選擇方面提供了極大的靈活性,而ProM IS 500工業(yè)解決方案與PEI、PEEK、PEKK等高性能塑料兼容。其他提供連續(xù)纖維3D打印解決方案的公司包括Continuous Composites或CEAD,它提供LFAM解決方案。

5:照片來(lái)源:Anisoprint

更多初創(chuàng)企業(yè)正在研究連續(xù)纖維復(fù)合材料的新3D打印工藝并為其申請(qǐng)專利,其中包括Moi Composits、SphereCube、Fabheads、9T Labs和Arevo。

請(qǐng)注意,生產(chǎn)過(guò)程中不僅存在加固技術(shù)。例如,西班牙初創(chuàng)公司Reinforce 3D設(shè)計(jì)了CFIP(連續(xù)纖維注射工藝)技術(shù),在增材制造后的后處理階段用連續(xù)纖維增強(qiáng)零件。

說(shuō)到短纖維復(fù)合材料3D打印機(jī)制造商,主要有能夠加工碳纖維或其他纖維增強(qiáng)高性能材料的FFF機(jī)器制造商。其中包括Roboze、Stratasys、3ntr、miniFactory、BigRep、WASP或Creality(列表并不詳盡)。



編譯整理:3dnatives



   
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