可替代金屬，如何用好Stratasys碳纖維增強3D打印

2022年5月31日，Stratasys聯(lián)合南極熊舉辦了一場線上研討會，介紹了Stratasys的碳纖維強化材料打印解決方案，本場直播由 Stratasys 制造部門高級應(yīng)用工程師李清淏主講。

本場研討會中，介紹了什么是碳纖維材料，Stratasys新碳纖維增強材料的優(yōu)勢，碳纖維增強材料的目標應(yīng)用，以及碳纖維增強材料3D打印機。

碳纖維經(jīng)常出現(xiàn)在一些高性能的場合，比如跑車的覆蓋件，運動頭盔等。碳纖維材料輕便、強度高，每一根碳纖維都是由數(shù)千條更微小的碳纖維所組成，直徑大約5至8微米，幾乎全部由碳構(gòu)成。最早的一代（如T300，HTA和AS4）有16-22微米直徑。新研發(fā)的碳纖維（如IM6或IM600）的直徑大約有5微米。

傳統(tǒng)碳纖維零件的制造工藝流程包括：碳纖維預(yù)浸料→包覆→高溫高壓固化→脫模→整形修邊→表面處理。

通過對客戶需求的調(diào)研，零件質(zhì)量、更好的機械特性和開放材料系統(tǒng)是最有可能獲得溢價的特點。于是，Stratasys推出了使用3D打印來制造碳纖維部件的技術(shù)。打印方式涵蓋了三種：
●直接使用符合材料打印機打印零件；
●打印鋪覆模具；
●犧牲模具；

其中，直接打印碳纖維增強材料是主流的用法，將短切碳纖維與基礎(chǔ)聚合物尼龍混合，然后再拉成3D打印長絲，并在FDM 3D打印機中使用。

基于以上材料制備原理，Stratasys推出了三款碳纖維復(fù)合材料，分別是ABS-CF10（含10%碳纖維）、NylonCF-10（含10%碳纖維）、Nylon12CF（含35%碳纖維）。

經(jīng)過測試，這三款材料在添加了碳纖維之后，性能都得到了提升，今年推出的Nylon-CF10的強度超出基材尼龍材料的60%，剛度是其3倍。

通過打印碳纖維復(fù)合材料，可以最高抗拉強度可達83MPa，能夠生產(chǎn)接近完全致密的零件。而且可以實現(xiàn)精確復(fù)雜的幾何形狀，并帶有可溶性支撐材料。Stratasys打印機具有99%的正常運行時間，99%的尺寸可重復(fù)性。

在工廠車間內(nèi)，3D打印的碳纖維零件可以用于CNC卡鉗、臂端工具、CMM固定裝置、轉(zhuǎn)運料架、金屬成型模具、折彎機工具、生產(chǎn)備件和鉆孔導(dǎo)向等。

李工在研討會中詳細介紹了其中幾個代表性的應(yīng)用案例，比如用于CNC工件轉(zhuǎn)運的料架，通過在Stratasys打印機上使用Nylon-CF10打印，滿足所有工作要求的高強度和高剛度，節(jié)省了超過80%的人工時間和成本。而且工件的外觀形狀完美匹配。

另一個代表案例是使用Stratasys Fortus450打印機打印的Nylon12CF，可以用于不銹鋼產(chǎn)品的沖壓成形。其抗壓性滿足沖壓模具的要求，制作過程節(jié)省了87%的人工時間和80%成本。

深入分析了福特汽車生產(chǎn)線上的一個案例，使用3D打印Nylon12CF替代笨重的金屬工裝。這是一套用于定位和測量汽車尾部三角窗的工裝，原本使用鋁合金焊接制成，非常笨重，不符合人體工程學(xué)的設(shè)計。通過3D打印實現(xiàn)設(shè)計改良，一體化的設(shè)計優(yōu)化，將工裝重量從5.44公斤降低到3.62公斤，減重33%�？偨M裝成本為2582美元。

為了進一步滿足生產(chǎn)車間、實驗室對碳纖維3D打印的需求，Stratasys推出了F123 CR系列和F370 CR系列3D打印機。

此外，這些設(shè)備也將支持第三方的材料，目前Stratasys正與材料供應(yīng)商Covestro、Kimya和Victrex plche合作，讓用戶擁有更多的選擇。

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