为什么选择复合 3D 打印？专家给出建议！

今天，有许多材料与增材制造兼容，从热塑性塑料到金属、陶瓷和光敏树脂。它们提供广泛的特性以满足多个领域的要求，例如航空航天、汽车或医疗。看看聚合物、复合材料家族或纤维基增强材料，也可以找到。这些材料以粉末或细丝形式提供，提供比传统聚合物更有趣的机械特性，例如更好的刚性、抗冲击性、轻便性等。因此，越来越多的公司开始在增材制造中依赖复合材料。但是，您如何将复合 3D 打印集成到您的生产链中？你应该选择哪种材料？我们会见了该领域的 3 位专家，他们回答了我们关于复合 3D 打印的问题！

我们的第一位专家是Kimya 工厂的技术经理 François Edy 。这是 ARMOR 集团提供的增材制造服务。今天，François 确保制造零件的质量、生产期限并为客户提供建议。在这里，我们专注于他在使用挤出的复合增材制造方面的工作，更具体地说是复合长丝。第二位专家是 Fedor Antonov，他是连续纤维 3D 打印解决方案的领先制造商 Anisoprint 的首席执行官兼联合创始人。最后但并非最不重要的，CIKONI 董事总经理之一 Farbod Nezami 将我们的专家小组带入了一个完整的圈子。CIKONI 是一家专业的轻量化设计工程服务提供商，专注于增材制造和通过纤维增强材料的负载路径增强材料的混合。

3D打印中的复合材料

复合材料是一种由纤维增强的材料，赋予其额外的机械性能。这种基础材料称为基质，可能是增材制造市场上的多种聚合物之一。这导致具有优异性能的材料的混合物，例如它们通常更坚固和更硬。最流行的复合材料包括碳纤维和玻璃纤维。由碳纤维或 CFRP（碳纤维增强塑料）制成的零件既坚固又轻便。这些特性使 CFRP 成为广泛应用的流行材料。例如，在航空航天、汽车和体育用品行业。相比之下，玻璃纤维增强塑料 (GFRP) 不如 CFRP 坚固，但它们的耐化学性和介电特性使其成为电气行业应用的理想选择。

尤其需要注意的是，这些纤维有不同的尺寸，对印刷过程和最终结果有很大影响。可以同时具有短纤维和长纤维或连续纤维。短纤维直接与基础聚合物混合，然后长丝由机器挤出。连续纤维与基质同时沉积，这需要使用特定的 3D 打印机。为了了解哪种类型的复合材料适合特定应用，重要的是不仅要了解纤维的类型，还要了解短纤维和连续纤维之间的区别。

与可以添加到传统热塑性塑料中的短纤维增强材料相比，连续纤维复合材料的生产成本更高，但稳定性更高。具有连续纤维的复合组件使用多种方法制造，尽管在传统工艺中，材料通常必须逐层手动铺设，并且需要使用昂贵的模具和固化设备。因此，3D 打印的优势在于该过程可以通过使用两个喷嘴实现自动化。

打印复合材料时要考虑的标准

今天，大多数 FDM 机器都可以打印短纤维复合材料。François Edy 说：“短纤维在增材制造中更为常见，可以在任何 FDM 机器上打印。但是，请确保您有钢制喷嘴，因为复合材料具有磨蚀性。” 尽管Farbod Nezami 确实警告说，在选择机器时应考虑材料。他指出，用户应该明白，加工要求是由所选择的纤维和基体材料共同决定的。考虑到两者都有非常广泛的可用材料，他提到复合材料应该打印在合适的系统上。

此外，当涉及到连续纤维时，使用 FDM 机器进行打印要困难得多。例如，Fedor Antonov 认为，虽然短纤维增强塑料当然可以使用 FDM 打印机进行打印，但这种类型的机器不适合使用连续纤维进行打印。在这种情况下，有必要投资一台能够将纤维沉积在板上并根据用户的需要进行切割的机器，这是专门为此目的而开发的。

正如François Edy 解释的那样，部件在安装空间中的位置非常重要，“部件的方向很重要：碳纤维沿挤压方向沉积。碳纤维沿挤出方向沉积，因此在喷嘴方向上会有更好的机械阻力。” Farbod Nezami 表示同意，并指出主要是纤维的取向决定了工程相关特性：“从强度到热膨胀，存在很大的各向异性——即特性的方向依赖性。”根据 Nezami 的说法，在使用纤维复合材料进行设计时，首先要知道在哪个方向需要哪些属性，以便能够定义复合材料的结构，这一点很重要。

Fedor Antonov 回应了这一点，但他强调说，当涉及到连续纤维增强复合材料时，这是可以避免的。他解释说：“主要区别在于连续纤维始终是定向的，而短纤维则随机分布在聚合物中。 定向纤维允许纤维特性集中在一个方向，而随机混合物则在每个方向溶解特性。这就是为什么连续纤维增强复合材料在纤维方向上具有极高的性能，而短纤维增强聚合物在所有方向上都具有相当适中的性能。”

Feodor 还指出了在使用复合材料制成的零件时考虑设计的重要性，因为与金属或塑料相比，用户需要使用不同的设计方法才能真正受益于它们的高性能。他解释说：“对于施加了某些主导力方向的零件或结构，将获得最佳结果。还有其他几个物理限制，例如相对较低的工作温度（高达 150°C）和低表面硬度，这会导致某些摩擦应用中的严重磨损。”

复合3D打印的优势和局限性

复合 3D 打印具有与“经典”3D 打印相同的优势：更短的生产时间、更少的材料使用、定制零件的可能性等。然而，它与“传统”3D 打印的不同之处在于它能够改善零件的性能，无论是机械阻力还是温度。真正让它与众不同的是它能够改善零件的性能，无论是机械性能还是耐热性。您还可以根据需要选择钢筋类型，各向同性或同心。François Edy 表示同意，确认使用碳纤维大大提高了零件的刚度；其他材料，如木材，将提供独特的美学特性。

Fedor Antonov 表示，在使用连续纤维增强复合材料进行打印时，这一点尤其明显。他指出，“在相同的操作条件下，它可以生产比金属零件轻几倍的零件。” 据他介绍，对于航空航天、机器人、运动和医疗保健等高性能应用而言，减轻重量尤为重要，因为更轻的部件意味着更少的能源消耗、更低的运输成本和更高质量的产品。

在未来收益方面，Farbod Nezami 还提到技术的进步正在增加。他乐观地认为，未来几年 3D 打印复合材料的使用将在尺寸、生产率和机械性能方面取得很大进展。SmarTech 的市场分析也反映了这一预期增长，该分析指出，全球复合材料市场将在未来五年内增长 22.3%。

如果我们现在看看复合材料 3D 打印的局限性，尽管与短纤维相比，使用连续纤维会增加制造过程的复杂性，但它们的使用也更加复杂。例如，François 继续解释说，连续纤维满足更多限制性规则，目前在切片和喷嘴轨迹方面需要更多的技术考虑。因此，设计如此重要。或者用 Fedor Antonov 的话来说，“显然，正确的设计是开启 3D 打印复合材料高性能的关键。诸如纤维增强格子、纤维转向、局部增强等设计方法将提供最佳结果。根据形状和负载条件区分哪些部件适合使用复合材料进行设计也很重要。

然而，总体而言，专家们似乎同意使用纤维增强材料可以生产坚固、刚性且重量轻的零件，并且 3D 打印还提供了不仅能够快速而且具有成本效益的优势. 还可以说，虽然使用短纤维增强材料制造更具成本效益，并且由于聚合物基体中的混合物为 3D 打印提供了更大的技术灵活性，但它在性能方面无法与连续纤维复合材料竞争。此外，纤维的种类也决定了部件的材料特性，这也是复合材料的选择最终取决于具体应用的原因。

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