可替代金属，如何用好Stratasys碳纤维增强3D打印

2022年5月31日，Stratasys联合南极熊举办了一场线上研讨会，介绍了Stratasys的碳纤维强化材料打印解决方案，本场直播由 Stratasys 制造部门高级应用工程师李清淏主讲。

本场研讨会中，介绍了什么是碳纤维材料，Stratasys新碳纤维增强材料的优势，碳纤维增强材料的目标应用，以及碳纤维增强材料3D打印机。

碳纤维经常出现在一些高性能的场合，比如跑车的覆盖件，运动头盔等。碳纤维材料轻便、强度高，每一根碳纤维都是由数千条更微小的碳纤维所组成，直径大约5至8微米，几乎全部由碳构成。最早的一代（如T300，HTA和AS4）有16-22微米直径。新研发的碳纤维（如IM6或IM600）的直径大约有5微米。

传统碳纤维零件的制造工艺流程包括：碳纤维预浸料→包覆→高温高压固化→脱模→整形修边→表面处理。

通过对客户需求的调研，零件质量、更好的机械特性和开放材料系统是最有可能获得溢价的特点。于是，Stratasys推出了使用3D打印来制造碳纤维部件的技术。打印方式涵盖了三种：
●直接使用符合材料打印机打印零件；
●打印铺覆模具；
●牺牲模具；

其中，直接打印碳纤维增强材料是主流的用法，将短切碳纤维与基础聚合物尼龙混合，然后再拉成3D打印长丝，并在FDM 3D打印机中使用。

基于以上材料制备原理，Stratasys推出了三款碳纤维复合材料，分别是ABS-CF10（含10%碳纤维）、NylonCF-10（含10%碳纤维）、Nylon12CF（含35%碳纤维）。

经过测试，这三款材料在添加了碳纤维之后，性能都得到了提升，今年推出的Nylon-CF10的强度超出基材尼龙材料的60%，刚度是其3倍。

通过打印碳纤维复合材料，可以最高抗拉强度可达83MPa，能够生产接近完全致密的零件。而且可以实现精确复杂的几何形状，并带有可溶性支撑材料。Stratasys打印机具有99%的正常运行时间，99%的尺寸可重复性。

在工厂车间内，3D打印的碳纤维零件可以用于CNC卡钳、臂端工具、CMM固定装置、转运料架、金属成型模具、折弯机工具、生产备件和钻孔导向等。

李工在研讨会中详细介绍了其中几个代表性的应用案例，比如用于CNC工件转运的料架，通过在Stratasys打印机上使用Nylon-CF10打印，满足所有工作要求的高强度和高刚度，节省了超过80%的人工时间和成本。而且工件的外观形状完美匹配。

另一个代表案例是使用Stratasys Fortus450打印机打印的Nylon12CF，可以用于不锈钢产品的冲压成形。其抗压性满足冲压模具的要求，制作过程节省了87%的人工时间和80%成本。

深入分析了福特汽车生产线上的一个案例，使用3D打印Nylon12CF替代笨重的金属工装。这是一套用于定位和测量汽车尾部三角窗的工装，原本使用铝合金焊接制成，非常笨重，不符合人体工程学的设计。通过3D打印实现设计改良，一体化的设计优化，将工装重量从5.44公斤降低到3.62公斤，减重33%。总组装成本为2582美元。