一文全面剖析2020年復合材料3D打印強勢增長趨勢

來源：3D科學谷

復合材料（或稱之為纖維增強塑料）因其令人難以置信的材料性能而廣受歡迎。碳纖維是其中一個例子，它提供了高強度重量比。如果想要更好的韌性、耐磨性和導電性能，則可以添加其他纖維。在這方面，如何實現(xiàn)更強的復合材料是推動3D打印進入產業(yè)化的一大關鍵因素。

復合材料的3D打印在2020年將出現(xiàn)三大趨勢。一是我們將繼續(xù)看到流程和系統(tǒng)的工業(yè)化，硬件與軟件發(fā)展的結合將更加支持大批量生產。二是對系統(tǒng)進行更多的傳感控制，以實現(xiàn)實時過程控制-熱，尺寸和光學傳感可提高過程公差。三是用于提高3D打印操作效率的新軟件（例如，預處理工作流程，作業(yè)管理等）更加成熟，從而更深入的用于多材料零件的新設計和仿真。

正如3D科學谷在《3D打印發(fā)展趨勢及中國市場的機遇與挑戰(zhàn)》白皮書中所談到的，復合材料的加工以快速、可靠、低成本的發(fā)展趨勢，正在成為一種主流制造技術。本期，結合復合材料的3D打印在設備、材料、工藝領域全面發(fā)力的態(tài)勢，3D科學谷與谷友一起來感受復合材料3D打印所醞釀的發(fā)展勢能，以及在2020年的發(fā)展趨勢。

ProM IS 500 3D打印機在工廠車間的渲染效果圖。來源：Anisoprint

設備發(fā)展

熔融沉積工藝

▏更大、更快、更強

在走向更大、更快的碳纖維復合材料打印之路上，美國國家橡樹嶺實驗室ORNL無疑是話題中的主角，包括其與英格索爾打造的世界最大的3D打印機——龍門式帶銑削功能的混合增材制造設備。

除了英格索爾這些大型復合材料設備制造商，值得關注的是Markforged創(chuàng)建了世界上集塑料、金屬和復合材料為一體的3D打印機生態(tài)系統(tǒng)。其中，桌面設備Mark Two和工業(yè)級Markforged X7除了應用傳統(tǒng)的熔融沉積成型技術外，還采用連續(xù)纖維制造技術，可以同時打印尼龍，Onyx和碳纖維，玻璃纖維，凱夫拉等纖維材料，打印零部件的硬度可替代鋁部件。

直寫工藝

▏強于鋼件

早在2017年，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室-LLNL的研究人員已經成功3D打印航天級碳纖維復合材料，成為第一個這樣做的研究實驗室。被描述為“終極材料”的碳纖維復合材料開辟了創(chuàng)造輕量化、強于鋼件的可能性。LLNL的研究發(fā)表在Nature自然雜志上，科研人員研發(fā)的碳纖維復合材料微擠壓3D打印技術，使得材料獲得了令人難以置信的性能，結合機械性能、密度和耐溫性，特別適合嚴苛環(huán)境下的運行。而對于復雜形狀的生產，則是3D打印與生俱來的優(yōu)勢。

通常，碳纖維復合材料是由纏繞在心軸上的長絲或將碳纖維編織在一起制成的。這些方法，在某些情況下是有效的，但碳纖維只是被制成扁平或圓柱形的形狀。

LLNL的工藝被稱為改進型直接墨水書寫（DIW），也被稱為robocasting。研究人員開發(fā)出一種新的、專利的化學過程，能在幾秒鐘內固化材料。LLNL的高性能計算能力能準確地預測碳纖維絲流情況。

新型聚合

▏能耗低+零件強度高

前沿技術的發(fā)展方面，值得關注的是伊利諾伊大學的一個研究小組研究的一個名為Frontal Polymerization（FP）的新型聚合物固化工藝的開發(fā)，該工藝可以顯著降低固化過程中能量的消耗。這項研究還發(fā)表在自然雜志上（journal Nature）。FP聚合工藝可用于為汽車和航空航天領域生產強度高、耐熱的部件，能夠使用比現(xiàn)有系統(tǒng)低10個數(shù)量級的能量來固化聚合物，并可將生產時間縮短兩個數(shù)量級。這項工藝標志著近半個世紀以來可能成為高性能聚合物和復合材料制造業(yè)的第一次重大進步，一直以來用于制造飛機和汽車的材料需要具有優(yōu)異的熱性能和機械性能，但制造過程在時間、能量和環(huán)境影響方面都很昂貴。伊利諾伊大學的目標是減少能量消耗并提高產量。

在復合材料的3D打印領域，除了老牌的設備廠商（延伸閱讀：碳纖維復合材料打印之風吹到國內了嗎？）以及層出不窮的新制造工藝，還涌現(xiàn)了眾多創(chuàng)業(yè)企業(yè)，包括Anisoprint，AddiFab和Collider 等初創(chuàng)公司開發(fā)混合制造方法，以期顛覆傳統(tǒng)制造。

材料發(fā)展

在材料領域，包括牛津性能材料所提供的碳纖維增強 PEEK材料，歐文斯科寧-Owens Corning的 玻璃纖維增強塑料已在應用領域獲得認可。

一個新的發(fā)展趨勢是，材料廠商越來越重視與3D打印服務提供商，與仿真合作伙伴的合作。

微結構實現(xiàn)

▏材料+打印

為了實現(xiàn)高分辨率的3D打印復合材料的微結構，典型的合作是漢高與3D打印公司Fortify聯(lián)手推動高性能應用，F(xiàn)ortify正在通過其專利的DCM平臺改變3D打印行業(yè)，該平臺通過引入對齊的增強纖維來提供更高水平的零件性能。這項增材制造技術將磁學和DLP（數(shù)字光處理）相結合，可在高分辨率的3D打印復合零件中生產定制的微結構。與前面提到的連續(xù)纖維不同，短切纖維能夠增強細小區(qū)域，此外，短切纖維復合材料比連續(xù)纖維更便宜，更快捷，更易于使用。需要特別注意的是，對于短切纖維，3D打印零部件的強度取決于所用纖維的百分比，并且由于分層效應，材料將受到各向異性的困擾。

根據(jù)3D科學谷的了解，F(xiàn)ortify開發(fā)了一種基于樹脂的控制增強型聚合物中纖維的方法，可制造出具有各向同性材料特性的復合材料。雙方合作的解決方案利用了Fortify的Digital Composite Manufacturing（DCM）3D打印技術，該技術將增強纖維與漢高的樹脂混合在一起，然后利用磁性材料使纖維對齊，從而在3D打印零件中獲得最佳強度。

軟件公司與材料公司還在攜手打造“First time right”的目標：通過仿真結合材料特征對增材制造過程進行模擬和零件性能預測，從而實現(xiàn)塑料3D打印領域更加可控的加工結果。在這方面，典型的合作是DSM與海克斯康的合作。

性能可預測

▏材料+仿真

DSM的高性能熱塑性解決方案和疲勞破壞機制的建模方法，以及e-Xstream的精確，便捷的仿真手段的結合，使用戶有機會在Digimat中快速迭代建模結果。通過預測增強塑料部件的耐久性及其他性能，用戶免除了之前需要幾個月的迭代過程，而僅僅需要幾個小時，通過仿真手段減少試錯過程，從而避免了數(shù)百次的反復測試所帶來的時間、財力的浪費。

根據(jù)3D科學谷的市場觀察，Digimat仿真的主要價值包括：使DSM的最終用戶獲得輕量化的產品，降低成本并縮短產品上市時間，同時減少材料測試和原型制作要求。

詳細了解仿真如何助推3D打印復合材料的發(fā)展，請參考《專欄 l 復合材料3D打印結構件有限元仿真計算應用淺析》

面向可持續(xù)性發(fā)展，碳纖維和大多數(shù)塑料都是石化燃料所制造的材料，將來將會出現(xiàn)更多的綠色材料減少能源消耗，排放，廢物，化學污染。可生物降解的材料，例如天然復合材料，將會出現(xiàn)。根據(jù)3D科學谷的市場觀察，一家來自新加坡科技設計大學的CHITONOUS的初創(chuàng)公司，致力于將大規(guī)模生產與可持續(xù)發(fā)展的生物材料相結合，使循環(huán)和可持續(xù)的經濟模式成為一種制造優(yōu)勢。

國內進步

國內，為了實現(xiàn)更好的復合材料性能，中國科學院寧波材料技術與工程研究所增材制造重點實驗室許高杰團隊針對高性能工程塑料3D打印技術開展了一系列研究工作。選取了具有高堅韌度和抗疲勞特性的半晶態(tài)尼龍12和高強度聚醚酰亞胺作為基體，研究了熔體流變特性對熔融長絲燒結特性的影響，對高性能工程塑料的3D打印工藝參數(shù)、工業(yè)可用性進行了研究。研究人員在工藝研究的基礎上，開發(fā)了尼龍12/氧化石墨烯、尼龍12/碳纖維復合材料。研究發(fā)現(xiàn)兩種填料在熔融沉積成型過程中可實現(xiàn)取向分布，不僅有效提高了產品的機械強度（GNPs 7%和CFs 251.1%），還能夠對產品熱導率（提高51.4%）進行靈活調控。

另外一個案例是，來自中國科學院空間應用工程與技術中心研究團隊使用遠鑄智能（INTAMSYS）的高性能材料3D打印機FUNMAT HT對自主研發(fā)的碳纖維PEEK復合材料進行3D打印工藝的系統(tǒng)研究，取得重要科研進展。通過在絲材中摻雜碳纖維，并運用遠鑄智能FUNMAT HT機器研究了垂直打印方向對碳纖維聚醚醚酮3D打印件彎曲性能的影響，這種垂直方向打印的彎曲樣條具有優(yōu)異的力學性能，彎曲強度達到146 MPa，重要的是，還與傳統(tǒng)注塑件具有接近一致的彎曲強度。