一文全面剖析2020年复合材料3D打印强势增长趋势

来源：3D科学谷

复合材料（或称之为纤维增强塑料）因其令人难以置信的材料性能而广受欢迎。碳纤维是其中一个例子，它提供了高强度重量比。如果想要更好的韧性、耐磨性和导电性能，则可以添加其他纤维。在这方面，如何实现更强的复合材料是推动3D打印进入产业化的一大关键因素。

复合材料的3D打印在2020年将出现三大趋势。一是我们将继续看到流程和系统的工业化，硬件与软件发展的结合将更加支持大批量生产。二是对系统进行更多的传感控制，以实现实时过程控制-热，尺寸和光学传感可提高过程公差。三是用于提高3D打印操作效率的新软件（例如，预处理工作流程，作业管理等）更加成熟，从而更深入的用于多材料零件的新设计和仿真。

正如3D科学谷在《3D打印发展趋势及中国市场的机遇与挑战》白皮书中所谈到的，复合材料的加工以快速、可靠、低成本的发展趋势，正在成为一种主流制造技术。本期，结合复合材料的3D打印在设备、材料、工艺领域全面发力的态势，3D科学谷与谷友一起来感受复合材料3D打印所酝酿的发展势能，以及在2020年的发展趋势。

ProM IS 500 3D打印机在工厂车间的渲染效果图。来源：Anisoprint

设备发展

熔融沉积工艺

▏更大、更快、更强

在走向更大、更快的碳纤维复合材料打印之路上，美国国家橡树岭实验室ORNL无疑是话题中的主角，包括其与英格索尔打造的世界最大的3D打印机——龙门式带铣削功能的混合增材制造设备。

除了英格索尔这些大型复合材料设备制造商，值得关注的是Markforged创建了世界上集塑料、金属和复合材料为一体的3D打印机生态系统。其中，桌面设备Mark Two和工业级Markforged X7除了应用传统的熔融沉积成型技术外，还采用连续纤维制造技术，可以同时打印尼龙，Onyx和碳纤维，玻璃纤维，凯夫拉等纤维材料，打印零部件的硬度可替代铝部件。

直写工艺

▏强于钢件

早在2017年，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室-LLNL的研究人员已经成功3D打印航天级碳纤维复合材料，成为第一个这样做的研究实验室。被描述为“终极材料”的碳纤维复合材料开辟了创造轻量化、强于钢件的可能性。LLNL的研究发表在Nature自然杂志上，科研人员研发的碳纤维复合材料微挤压3D打印技术，使得材料获得了令人难以置信的性能，结合机械性能、密度和耐温性，特别适合严苛环境下的运行。而对于复杂形状的生产，则是3D打印与生俱来的优势。

通常，碳纤维复合材料是由缠绕在心轴上的长丝或将碳纤维编织在一起制成的。这些方法，在某些情况下是有效的，但碳纤维只是被制成扁平或圆柱形的形状。

LLNL的工艺被称为改进型直接墨水书写（DIW），也被称为robocasting。研究人员开发出一种新的、专利的化学过程，能在几秒钟内固化材料。LLNL的高性能计算能力能准确地预测碳纤维丝流情况。

新型聚合

▏能耗低+零件强度高

前沿技术的发展方面，值得关注的是伊利诺伊大学的一个研究小组研究的一个名为Frontal Polymerization（FP）的新型聚合物固化工艺的开发，该工艺可以显著降低固化过程中能量的消耗。这项研究还发表在自然杂志上（journal Nature）。FP聚合工艺可用于为汽车和航空航天领域生产强度高、耐热的部件，能够使用比现有系统低10个数量级的能量来固化聚合物，并可将生产时间缩短两个数量级。这项工艺标志着近半个世纪以来可能成为高性能聚合物和复合材料制造业的第一次重大进步，一直以来用于制造飞机和汽车的材料需要具有优异的热性能和机械性能，但制造过程在时间、能量和环境影响方面都很昂贵。伊利诺伊大学的目标是减少能量消耗并提高产量。

在复合材料的3D打印领域，除了老牌的设备厂商（延伸阅读：碳纤维复合材料打印之风吹到国内了吗？）以及层出不穷的新制造工艺，还涌现了众多创业企业，包括Anisoprint，AddiFab和Collider 等初创公司开发混合制造方法，以期颠覆传统制造。

材料发展

在材料领域，包括牛津性能材料所提供的碳纤维增强 PEEK材料，欧文斯科宁-Owens Corning的 玻璃纤维增强塑料已在应用领域获得认可。

一个新的发展趋势是，材料厂商越来越重视与3D打印服务提供商，与仿真合作伙伴的合作。

微结构实现

▏材料+打印

为了实现高分辨率的3D打印复合材料的微结构，典型的合作是汉高与3D打印公司Fortify联手推动高性能应用，Fortify正在通过其专利的DCM平台改变3D打印行业，该平台通过引入对齐的增强纤维来提供更高水平的零件性能。这项增材制造技术将磁学和DLP（数字光处理）相结合，可在高分辨率的3D打印复合零件中生产定制的微结构。与前面提到的连续纤维不同，短切纤维能够增强细小区域，此外，短切纤维复合材料比连续纤维更便宜，更快捷，更易于使用。需要特别注意的是，对于短切纤维，3D打印零部件的强度取决于所用纤维的百分比，并且由于分层效应，材料将受到各向异性的困扰。

根据3D科学谷的了解，Fortify开发了一种基于树脂的控制增强型聚合物中纤维的方法，可制造出具有各向同性材料特性的复合材料。双方合作的解决方案利用了Fortify的Digital Composite Manufacturing（DCM）3D打印技术，该技术将增强纤维与汉高的树脂混合在一起，然后利用磁性材料使纤维对齐，从而在3D打印零件中获得最佳强度。

软件公司与材料公司还在携手打造“First time right”的目标：通过仿真结合材料特征对增材制造过程进行模拟和零件性能预测，从而实现塑料3D打印领域更加可控的加工结果。在这方面，典型的合作是DSM与海克斯康的合作。

性能可预测

▏材料+仿真

DSM的高性能热塑性解决方案和疲劳破坏机制的建模方法，以及e-Xstream的精确，便捷的仿真手段的结合，使用户有机会在Digimat中快速迭代建模结果。通过预测增强塑料部件的耐久性及其他性能，用户免除了之前需要几个月的迭代过程，而仅仅需要几个小时，通过仿真手段减少试错过程，从而避免了数百次的反复测试所带来的时间、财力的浪费。

根据3D科学谷的市场观察，Digimat仿真的主要价值包括：使DSM的最终用户获得轻量化的产品，降低成本并缩短产品上市时间，同时减少材料测试和原型制作要求。

详细了解仿真如何助推3D打印复合材料的发展，请参考《专栏 l 复合材料3D打印结构件有限元仿真计算应用浅析》

面向可持续性发展，碳纤维和大多数塑料都是石化燃料所制造的材料，将来将会出现更多的绿色材料减少能源消耗，排放，废物，化学污染。可生物降解的材料，例如天然复合材料，将会出现。根据3D科学谷的市场观察，一家来自新加坡科技设计大学的CHITONOUS的初创公司，致力于将大规模生产与可持续发展的生物材料相结合，使循环和可持续的经济模式成为一种制造优势。

国内进步

国内，为了实现更好的复合材料性能，中国科学院宁波材料技术与工程研究所增材制造重点实验室许高杰团队针对高性能工程塑料3D打印技术开展了一系列研究工作。选取了具有高坚韧度和抗疲劳特性的半晶态尼龙12和高强度聚醚酰亚胺作为基体，研究了熔体流变特性对熔融长丝烧结特性的影响，对高性能工程塑料的3D打印工艺参数、工业可用性进行了研究。研究人员在工艺研究的基础上，开发了尼龙12/氧化石墨烯、尼龙12/碳纤维复合材料。研究发现两种填料在熔融沉积成型过程中可实现取向分布，不仅有效提高了产品的机械强度（GNPs 7%和CFs 251.1%），还能够对产品热导率（提高51.4%）进行灵活调控。

另外一个案例是，来自中国科学院空间应用工程与技术中心研究团队使用远铸智能（INTAMSYS）的高性能材料3D打印机FUNMAT HT对自主研发的碳纤维PEEK复合材料进行3D打印工艺的系统研究，取得重要科研进展。通过在丝材中掺杂碳纤维，并运用远铸智能FUNMAT HT机器研究了垂直打印方向对碳纤维聚醚醚酮3D打印件弯曲性能的影响，这种垂直方向打印的弯曲样条具有优异的力学性能，弯曲强度达到146 MPa，重要的是，还与传统注塑件具有接近一致的弯曲强度。