复合材料3D打印技术的发展和应用

南极熊导读：复合材料3D打印是一种新兴的增材制造技术，适用于各个行业的应用。目前，主要使用的纤维有碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉。碳纤维具有卓越的强度重量比和高刚度，适用于航空航天、汽车和建筑等行业。玻璃纤维成本效益高，广泛适用于多种应用。凯夫拉是一种耐用的纤维，具有高强度和耐热性，适用于制造承受振动和耐磨性的部件。

复合材料3D打印的核心是复合材料本身，它由至少两种成分制成，具有特殊的性能，适用于各个行业的3D打印应用。近年来，复合材料3D打印技术越来越受欢迎。许多公司开始使用这项技术，如Impossible Objects等公司。预计到2030年，复合材料3D打印市场将达到17.3亿美元（约为126亿人民币）。

△3D打印复合材料

复合材料3D打印的发展如何推动了航空航天、汽车、建筑等行业的创新和发展？这些材料在3D打印中的应用有哪些潜在的挑战和机遇？

△目前人们已实现大规模3D打印航空复合材料结构部件

碳纤维增强材料

如前所述，碳纤维增强材料通常用于复合材料的增材制造。碳纤维由化学家Joseph Swan于1860年发明，由相互连接的碳原子组成，形成排列成股的晶体结构，具有出色的稳定性。它以其卓越的强度重量比（是铝的两倍）而闻名，对于制造轻量化且坚固的终端部件具有重要价值。此外，注入碳纤维的材料具有高刚度、强大的拉伸强度和有效的耐化学性。

然而，在使用3D打印技术时，使用碳纤维需要特殊的考虑。例如，使用硬化钢打印喷嘴对于确保高质量零件的生产至关重要。类似的准则也适用于与碳纤维增强材料结合的基体材料。添加碳纤维后，PLA、PETG、尼龙、ABS或聚碳酸酯等各种基质可以变得更强、更轻。这些纤维不仅可以与热塑性塑料相协调，还可以与陶瓷混合，从而有助于创造新颖的应用。航空航天、汽车和建筑等行业都从碳纤维基复合材料中受益，利用其独特的性能。

△Moi复合材料公司推出的MAMBO船

玻璃纤维增强复合材料

玻璃纤维材料于1930年问世，可用作多种热塑性聚合物的增强材料。当与适当的基材结合时，它可以制造出比ABS强度高十倍的零件。与碳纤维复合材料相比，玻璃纤维复合材料具有较低的刚性和脆性。这些特性以及成本效益使得玻璃纤维复合材料备受青睐。玻璃纤维具有出色的机械性能，可作为有效的电绝缘体，并具有低导热性。该材料有多种颜色可供选择，并且具有低收缩率，可最大限度地减少翘曲风险。与碳纤维类似，玻璃纤维增强长丝具有磨损性，因此需要使用适合这种材料的喷嘴。

△使用玻璃纤维打印的桥梁部件原型

实践证明，玻璃纤维增强的3D打印长丝，对于需要强大的机械性能和热弹性的工程原型和最终应用零件非常有价值。从建筑到海洋和体育应用，这种复合材料已经得到广泛认可。值得一提的例子包括Moi Composites与Autodesk、Catmarine、Micad和Owens Corning合作，使用玻璃纤维3D打印技术制造了MAMBO船。此外，荷兰公司MX3D使用这种材料3D打印了一座加固桥梁。

△凯夫拉复合材料的3D打印

凯夫拉增强材料

Kevlar是杜邦公司拥有的商标，于1971年由Stephanie Kwolek首创。它属于芳纶纤维类别，是最耐用的材料之一。

这种材料是通过聚合反应获得的，聚合反应是连接长链分子的过程。Kevlar纤维被精心排列成平行行，这归因于其坚固的特性。与其他纤维类似，Kevlar纤维经常与多种塑料结合用于复合材料的制造。Kevlar纤维在拉伸强度和疲劳强度方面表现出值得称赞的机械特性，主要用于制造承受强烈振动和需要耐磨性的部件。值得注意的是，它的强度重量比是钢的五倍，并且具有高达400°C的卓越耐热性。

△2020年推出的3D打印自动充电电动汽车

Kevlar还拥有低密度、多功能应用和均匀分子结构等特性，有利于3D打印经过特殊抛光的高品质零件。许多行业都采用Kevlar增材制造。值得注意的是，汽车行业发现其在制造各种零部件的应用中具有价值。一个引人注目的例子是美国的Aptera Motors使用这种复合材料3D打印汽车部件，突显了增强材料在当代制造业中的潜力。