新的3D打印技术可以生产无支撑碳纤维零件

2022年6月2日， 南极熊获悉，Colorado State大学的研究人员，开发了一种无需支撑结构，也可制作碳纤维增强复合材料部件的新3D打印方法。

△正面聚合3D打印方法，可以产生自由形式和支撑结构

该技术依赖于一种专门开发的热固性树脂，和一种称为正面聚合的独特固化工艺，即打印过程中，可实现材料在挤出时固化。采用这种方法，获得的部件在没有任何外部紫外线或红外线辐射的情况下，几乎被立即打印出来。重要的是它们具有刚性，能够在没有支撑的情况下依然保持原始的几何形状。

这种新方法，使得3D打印复合结构具有零空隙率的特点，并且碳纤维增强材料具有高度定向性，具有出色的机械性能。

用于复合3D打印的热固性树脂
对于那些需要使用3D打印复合材料部件的人来说，这是一个好消息。它既可以加工短切纤维材料，也可以加工长连续纤维材料。

虽然复合长丝是最容易获得和最容易使用的，但由于使用温度低、层间力学性能差、空隙率大和纤维体积相对较低，由此产生的部件在应用于高性能结构时有一定的欠缺。

根据Colorado团队的说法，他们在纤维填充的热固性复合树脂中找到了解决方案。这些低粘度、热敏性材料，可以通过直接墨水书写挤出，通常比FFF长丝材料具有更好的热机械性能。但问题在于，热固性材料历来受到固化速率相关的问题困扰。

通常，人们使用紫外线或可见光固化3D打印的热固性树脂，但光固化变体缺乏高固化速率来保持原始打印的几何形状，它们在硬化之前会下垂并需要支撑。它们也不能与不透明或高纤维填充墨水集成。

或者，采用热固化工艺，但这需要非常高的环境温度条件。就目前来看，在使用3D打印无支撑自由形状几何时，这些方法都没有被证明是可行的。

△正面聚合在起作用

无支撑解决方案
正面聚合固化技术解决了固化率低的问题，但它是如何工作的呢？在本研究中，该团队创造了基于DCPD（双环戊二烯）的热固性树脂，填充了短碳纤维。

树脂的固化会在局部使用热刺激开始。首先加热打印床，然后，启动一个自我维持的放热反应，从而启动打印路径，就像一根炸药棒上点燃的保险丝一样。最终实现，复合树脂在沉积时就地固化。

△自我维持的放热反应，沿打印部件向上传播，沿途用热量固化材料

换一种解释来说，就是通过将打印速度，与前端速度（放热反应的传播速度）精确匹配，可实现完全无支撑的自由形状结构，并立即硬化。

除了大大提高机械性能外，还发现添加碳纤维可以增强复合树脂的流变行为和导热性。该团队认为，他们的正面聚合3D打印技术，最终可以应用于各种增强纤维类型，甚至颗粒添加剂等。

△该研究的更多细节可以在题为“正面聚合3D打印短碳纤维，增强热固性聚合物复合材料”论文中找到

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c02076#

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