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纖維復合材料3D打印入選“十四五”國家重點研發計劃

?? 日期:2022-03-26???? 來源:3D打印技術參考????瀏覽:249????
核心提示:碳纖維復合材料因具有優異的質量強度比而備受關注,采用3D打印技術將纖維增強材料通過連續或短切的形式與傳統高分子塑料復合,可
碳纖維復合材料因具有優異的質量強度比而備受關注,采用3D打印技術將纖維增強材料通過連續或短切的形式與傳統高分子塑料復合,可顯著提高零件的強度、耐熱性及抗沖擊性。在航空航天、汽車和制造行業,3D打印的碳纖維部件正在迅速取代模壓碳纖維和金屬部件高性能原型和最終用途零件??萍疾拷展嫉?ldquo;十四五”國家重點研發計劃,也將纖維增強熱塑性復合材料增材制造技術與裝備研究納入其中,并特別強調研制纖維增強熱塑性復合材料多絲束擠出增材制造裝備。
 
當前,碳纖維3D打印技術主要分為短切碳纖維混摻尼龍粉末的激光燒結工藝,以及與熱塑性塑料復合制成絲材擠出或直接連續纖維復合熱塑性塑料的擠出工藝。在設備級別上,又分為大尺寸的工業機與小尺寸的桌面機。接下來,3D打印技術參考主要介紹當前國內五款商業化的桌面纖維復合材料3D打印機。
1. 斐帛科技-COMBOT-400
 
COMBOT-400是斐帛科技推出的工業級連續纖維3D打印機,采用連續纖維增強熱塑性聚合物預浸絲材為原材料,利用復合浸漬-熔融沉積的3D打印工藝實現復合材料復雜結構零件的一體化制造??梢詫崿F多種材料體系的打印,增強纖維包括碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等,基體包括PLA、PA、PC等。
 
COMBOT-400成型尺寸400 x 400 x 400mm,噴頭溫度可至300℃,打印頭采用雙噴頭結構設計,分別打印支撐結構與復合材料實體;采用主動送絲技術,打印速度達到600-1000mm/min;集成纖維剪斷模塊,解決空程跳轉問題,以實現復雜結構打印。
 
斐帛科技3D打印的連續纖維部件
 
斐帛科技以“創新復合材料構件制造新思路”為發展理念,專注于高性能纖維增強復合材料增材制造材料、裝備開發與技術服務,為航空、航天、汽車等領域的復合材料構件提供低成本高效制造解決方案。
 
2. 上海復志——E2CF
 
E2CF于2021年發布,是上海復志(Raise3D)推出的專用碳纖維3D打印機。其配備雙擠出噴頭,用于打印短切纖維復合材料,如碳/玻纖增強尼龍12、碳/玻纖增強耐高溫尼龍等,專用的支撐材料可以很好的保證結構的完整性以及內表面的光潔度。打印結束后,可以輕松剝離,相比于水溶性支撐更加具有性價比。E2CF構建尺寸為295 x 240 x 240 mm,擠出機噴嘴可以達到300°C,而構建板可保持110°C。
 
E2CF旨在滿足汽車、航空航天和醫療領域工程師的需求。為了確保穩定的打印過程,E2CF 配備了兩個獨立的密封干燥箱,使材料在打印時保持最低濕度;另外還配置了高精度光學傳感器輔助打印床自動調平,可提高噴嘴高度校準的準確性;定制的SiC噴嘴相比現有市面上打印機噴嘴的硬度提升了一倍,可打印高強碳纖尼龍超過1000小時。這款打印機的市場售價約為29000元人民幣。
 
3. 一邁智能MAGIC HT PRO
 
MAGIC HT PRO是一邁智能(IEMAI 3D)推出的高性能材料專用3D打印機,配備了快拆式模塊化雙打印頭,當用戶需要打印短切纖維復合材料時,如碳/玻纖增強PEEK、碳/玻纖增強尼龍等材料,可更換更耐磨的硬化鋼模塊打印頭。MAGIC HT PRO的構建尺寸為310*310*410mm,擠出機溫度可以達到500℃,并具備液冷式散熱功能,腔體溫度可以保持120℃,構建底板的溫度可以達到170℃,獨立升降的雙打印頭為可溶或者易剝離支撐的打印創造了優秀的條件。
 
MAGIC HT PRO秉承了一邁“多材料兼容,為應用而生”的產品使命,旨在為航空航天、醫療、汽車等領域用戶提供高性能材料3D打印解決方案。短切纖維復合材料有著輕量化且力學性能增強的優勢,對于設備工藝的穩定性要求更高。MAGIC HT PRO配備了10%的低濕度防潮柜,用于存放耗材,同時高達120℃的腔體溫度對于材料倉的熱量輻射可以確保材料在打印過程中仍然保持低濕度環境。通過硬化鋼材料加工而成的擠出結構,例如噴嘴,比普通黃銅噴嘴的使用壽命顯著提高。
 
4. 遠鑄智能——FUNMAT PRO 410
 
INTAMSYS(遠鑄智能) FUNMAT PRO 410采用了智能雙噴頭設計,打印尺寸305 x 305 x 406 mm,配有恒溫腔室和獨立的干燥料倉,保證打印不翹曲,可實現高精度和高質量打印。
 
FUNMAT PRO 410打印的尼龍碳纖手表鏈條裝配工具
 
作為一款智能雙噴頭高溫打印機,FUNMAT PRO 410在高性能材料和工程塑料的3D打印中有著獨特的優勢——先進的熱設計,可打印廣泛的材料范圍;FUNMAT PRO 410 噴頭溫度可達500℃,打印平臺溫度可達160℃,這種熱設計讓FUNMAT PRO 410 可以輕松打印PEEK、PEI等高性能材料以及PA-CF、PEEK-CF等碳纖復合材料,并且配備有主體材質為CuCrZr,尖端材質為硬質鋼的打印噴嘴,能夠滿足打印碳纖維復合材料耐磨的需求。INTAMSYS還專為尼龍碳纖材料定制了對應的剝離型支撐材料SP3050,打印過程中能保證與打印主材有良好的粘接性,在打印完成后可以輕松剝離。
 
5. 陜西聚高 Engineer Q850
 
Engineer Q850是陜西聚高推出的高性能材料專用3D打印機,配備了快拆式模塊化雙打印頭,不僅可以打印短切纖維復合材料,如碳/玻纖增強尼龍等材料,而且可以打印連續纖維材料,同時,可以更換更耐磨的硬化鋼模塊打印頭。
 
Engineer Q850最大打印尺寸為850 x 850 x 600mm,打印頭溫度最高可以達到500℃,并具備液冷式散熱功能,腔內溫度最高可要達到300℃,最低可以達到5℃,成型腔內的溫度可以根據不同材料實時精確調節,底板加熱溫度可達到300℃,料箱加熱溫度可達120℃,獨立升降的雙打印頭為可溶或者易剝支撐的打印創造了優秀的條件。
 
當前纖維復合材料的3D打印仍以短切纖維復合為主,且瞄準的方向多為汽車、航空航天等領域工裝、夾具等的制造,并以替代原有的金屬零件為目標;在更大的范圍內,該技術在汽車工業中從車輛固定架和儀表等內外部組件到發動機殼體均可以采用該技術來替代金屬部件。
 
纖維復合材料3D打印技術在國內取得了較大的進步,但值得注意的是,能夠打印連續纖維的品牌較少,同時,成型尺寸有限。我國纖維增強復合材料3D打印技術的發展與國外差距較大,美歐3D打印技術開發商與機器人制造商已共同開發了一系列先進的大尺寸連續纖維3D打印設備與制造工藝,誕生了Orbital Composites、Continuous Composites、Arris Composites等公司。
 
“十四五”國家重點研發計劃關于纖維復合材料增材制造的相關文件指出,要研究大幅面纖維增強熱塑性復合材料增材制造技術與裝備,成形尺寸能夠達到4m×2m×1m以上,增材制造構件纖維質量分數須超過55%,并能制定相應的工藝標準和測試評價規范。
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