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纤维复合材料3D打印入选“十四五”重点研发计划

2022-03-26 16:143120
 碳纤维复合材料因具有优异的质量强度比而备受关注,采用3D打印技术将纤维增强材料通过连续或短切的形式与传统高分子塑料复合,可显著提高零件的强度、耐热性及抗冲击性。在航空航天、汽车和制造行业,3D打印的碳纤维部件正在迅速取代模压碳纤维和金属部件高性能原型和终用途零件。科技部近日公布的“十四五”重点研发计划,也将纤维增强热塑性复合材料增材制造技术与装备研究纳入其中,并特别强调研制纤维增强热塑性复合材料多丝束挤出增材制造装备。
 
当前,碳纤维3D打印技术主要分为短切碳纤维混掺尼龙粉末的激光烧结工艺,以及与热塑性塑料复合制成丝材挤出或直接连续纤维复合热塑性塑料的挤出工艺。在设备级别上,又分为大尺寸的工业机与小尺寸的桌面机。接下来,3D打印技术参考主要介绍当前国内五款商业化的桌面纤维复合材料3D打印机。
1. 斐帛科技-COMBOT-400
 
COMBOT-400是斐帛科技推出的工业级连续纤维3D打印机,采用连续纤维增强热塑性聚合物预浸丝材为原材料,利用复合浸渍-熔融沉积的3D打印工艺实现复合材料复杂结构零件的一体化制造。可以实现多种材料体系的打印,增强纤维包括碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等,基体包括PLA、PA、PC等。
 
COMBOT-400成型尺寸400 x 400 x 400mm,喷头温度可至300℃,打印头采用双喷头结构设计,分别打印支撑结构与复合材料实体;采用主动送丝技术,打印速度达到600-1000mm/min;集成纤维剪断模块,解决空程跳转问题,以实现复杂结构打印。
 
斐帛科技3D打印的连续纤维部件
 
斐帛科技以“创新复合材料构件制造新思路”为发展理念,专注于高性能纤维增强复合材料增材制造材料、装备开发与技术服务,为航空、航天、汽车等领域的复合材料构件提供低成本高效制造解决方案。
 
2. 上海复志——E2CF
 
E2CF于2021年发布,是上海复志(Raise3D)推出的专用碳纤维3D打印机。其配备双挤出喷头,用于打印短切纤维复合材料,如碳/玻纤增强尼龙12、碳/玻纤增强耐高温尼龙等,专用的支撑材料可以很好的保证结构的完整性以及内表面的光洁度。打印结束后,可以轻松剥离,相比于水溶性支撑更加具有性价比。E2CF构建尺寸为295 x 240 x 240 mm,挤出机喷嘴可以达到300°C,而构建板可保持110°C。
 
E2CF旨在满足汽车、航空航天和医疗领域工程师的需求。为了确保稳定的打印过程,E2CF 配备了两个独立的密封干燥箱,使材料在打印时保持低湿度;另外还配置了高精度光学传感器辅助打印床自动调平,可提高喷嘴高度校准的准确性;定制的SiC喷嘴相比现有市面上打印机喷嘴的硬度提升了一倍,可打印高强碳纤尼龙超过1000小时。这款打印机的市场售价约为29000元币。
 
3. 一迈智能MAGIC HT PRO
 
MAGIC HT PRO是一迈智能(IEMAI 3D)推出的高性能材料专用3D打印机,配备了快拆式模块化双打印头,当用户需要打印短切纤维复合材料时,如碳/玻纤增强PEEK、碳/玻纤增强尼龙等材料,可更换更耐磨的硬化钢模块打印头。MAGIC HT PRO的构建尺寸为310*310*410mm,挤出机温度可以达到500℃,并具备液冷式散热功能,腔体温度可以保持120℃,构建底板的温度可以达到170℃,独立升降的双打印头为可溶或者易剥离支撑的打印创造了优秀的条件。
 
MAGIC HT PRO秉承了一迈“多材料兼容,为应用而生”的产品使命,旨在为航空航天、医疗、汽车等领域用户提供高性能材料3D打印解决方案。短切纤维复合材料有着轻量化且力学性能增强的优势,对于设备工艺的稳定性要求更高。MAGIC HT PRO配备了10%的低湿度防潮柜,用于存放耗材,同时高达120℃的腔体温度对于材料仓的热量辐射可以确保材料在打印过程中仍然保持低湿度环境。通过硬化钢材料加工而成的挤出结构,例如喷嘴,比普通黄铜喷嘴的使用寿命显著提高。
 
4. 远铸智能——FUNMAT PRO 410
 
INTAMSYS(远铸智能) FUNMAT PRO 410采用了智能双喷头设计,打印尺寸305 x 305 x 406 mm,配有恒温腔室和独立的干燥料仓,保证打印不翘曲,可实现高精度和高质量打印。
 
FUNMAT PRO 410打印的尼龙碳纤手表链条装配工具
 
作为一款智能双喷头高温打印机,FUNMAT PRO 410在高性能材料和工程塑料的3D打印中有着独特的优势——先进的热设计,可打印广泛的材料范围;FUNMAT PRO 410 喷头温度可达500℃,打印平台温度可达160℃,这种热设计让FUNMAT PRO 410 可以轻松打印PEEK、PEI等高性能材料以及PA-CF、PEEK-CF等碳纤复合材料,并且配备有主体材质为CuCrZr,尖端材质为硬质钢的打印喷嘴,能够满足打印碳纤维复合材料耐磨的需求。INTAMSYS还专为尼龙碳纤材料定制了对应的剥离型支撑材料SP3050,打印过程中能保证与打印主材有良好的粘接性,在打印完成后可以轻松剥离。
 
5. 陕西聚高 Engineer Q850
 
Engineer Q850是陕西聚高推出的高性能材料专用3D打印机,配备了快拆式模块化双打印头,不仅可以打印短切纤维复合材料,如碳/玻纤增强尼龙等材料,而且可以打印连续纤维材料,同时,可以更换更耐磨的硬化钢模块打印头。
 
Engineer Q850大打印尺寸为850 x 850 x 600mm,打印头温度高可以达到500℃,并具备液冷式散热功能,腔内温度高可要达到300℃,低可以达到5℃,成型腔内的温度可以根据不同材料实时精确调节,底板加热温度可达到300℃,料箱加热温度可达120℃,独立升降的双打印头为可溶或者易剥支撑的打印创造了优秀的条件。
 
当前纤维复合材料的3D打印仍以短切纤维复合为主,且瞄准的方向多为汽车、航空航天等领域工装、夹具等的制造,并以替代原有的金属零件为目标;在更大的范围内,该技术在汽车工业中从车辆固定架和仪表等内外部组件到发动机壳体均可以采用该技术来替代金属部件。
 
纤维复合材料3D打印技术在国内取得了较大的进步,但值得注意的是,能够打印连续纤维的品牌较少,同时,成型尺寸有限。我国纤维增强复合材料3D打印技术的发展与国外差距较大,美欧3D打印技术开发商与机器人制造商已共同开发了一系列先进的大尺寸连续纤维3D打印设备与制造工艺,诞生了Orbital Composites、Continuous Composites、Arris Composites等公司。
 
“十四五”重点研发计划关于纤维复合材料增材制造的相关文件指出,要研究大幅面纤维增强热塑性复合材料增材制造技术与装备,成形尺寸能够达到4m×2m×1m以上,增材制造构件纤维质量分数须超过55%,并能制定相应的工艺标准和测试评价规范。
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