3D打印金属基复合材料-含碳纤维的液态金属

来源：机械工程学报

与减材制造相比，增材制造的独特优势在于更容易加工金属，具有生产独特几何形状的部件的额外好处。除了开放处理难于加工的材料（如难熔金属）之外，增材制造还使金属基复合材料的加工（MMC）成为可能。一项发表在《机械工程学报》的研究记录了一个研究小组为结合金属和增强纤维的不同性能而采用的3D打印MMC的方法。

来自陕西省快速制造技术工程研究中心的研究人员将锡铅与碳纤维结合起来，一方面探索利用铅的辐射屏蔽性能，另一方面利用碳纤维强度的可能性。同时，这项研究试图展示铅的3D打印能力，以前由于铅的润湿性（液态时无法粘在固体表面）而很难实现。

FTP流程概述。图片由《机械工程学报》提供。

为了实现这一目标，研究团队依靠具有更好润湿性的液态锡铅。通过一种被称为纤维牵引打印（FTP）的工艺，将电镀有镍和铜的碳送入挤出机，再将其浸入熔融的锡铅，并使用类似于Markforged，Anisoprint现有复合3D打印机的材料挤压工艺进行打印。

研究人员对这项技术进行了多次观察。例如，由于液态金属的表面张力，研究人员无法从理论上计算出如何实现形态均匀性。但是，该团队能够确定打印速度和沉积均匀性之间的实际关系。尽管电镀程度更高的碳纤维没有显示出可观察到的缺陷，但在液态金属和纤维之间的润湿性也较低，且镀层较厚。

样品在（a）1毫米/秒，（b）2毫米/秒，（c）3毫米/秒和（d）4毫米/秒的打印速度和10/100、20/100、30/100、40/100地送丝速度打印试样的单丝形态。图片由《机械工程学报》提供。

研究表明，通过将液态金属与碳纤维结合，不仅可以将液态金属模制成所需的形状，而且还可以改善低熔点合金（如锡铅）的机械性能。当使用带有3微米电镀层的碳纤维时，锡铅材料的抗拉强度从33.3MPa增加到235.2MPa。随着电镀层厚度的增加，纤维体积也增大。

3D打印铅的功能可能会导致需要辐射屏蔽的独特部件，如航天器。该团队认为，FTP流程可以扩展到其他MMC，如碳纤维铝和碳纤维镁。

图片由《机械工程学报》提供

由于金属基复合材料几乎总是比它们要替代的传统材料更贵，因此通常只用于高端应用，如高性能刀具（碳化钨）、跑车（碳纤维和碳化硅、碳化硼铝）、电子产品（铜银和钻石，铝石墨），和航空航天（碳化硅纤维和钛）。同样，由于规模的问题，增材制造也经常保留给高端的短期应用程序。反过来，随着打印MMC能力的提高，我们预计这两个领域可能会有更大的重叠。

到目前为止，许多机构都在进行打印MMC的研究，包括加利福尼亚州立大学，该校的一个团队正在用陶瓷3D打印钛合金。AGH大学，将Inconel625和碳化钨结合在一起；迪肯大学（DeakinUniversity），将氮化硼和钛混合在一起。

尽管这类研究自然要花时间才能超越实验室的界限，但毫无疑问，现有的商业实体很可能正在研究类似的技术，特别是如果这些企业已经在经营纤维复合材料和金属，就像DesktopMetal和Markforged一样。