終極指南：3D打印復合材料的定義、分類、工藝及應用

導讀：隨著航空航天、汽車工業、醫療器械、電子行業等領域的高速發展，傳統的材料已經無法滿足當前市場需求，這就催生了復合材料的產生。而將3D打印技術應用于復合材料的制造也越來越受歡迎。根據IDTechEx報告稱，到2030年，復合材料3D打印市場規模將達到億美元。

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通過連續碳纖維3D打印的樣品，圖片來自：Anisoprint

復合材料是由兩種或兩種以上不同材料結合而成的產物。其中一種材料作為基體，用于將結構固定在一起，而另一種材料作為增強體，則為產品提供額外的性能。其中，碳釬維、玻璃纖維等纖維材料是最常用的增強材料，而熱塑性（如ABS或PLA）等材料則常被用作基體材料。相較于傳統的制造復合材料的開模、封模和鑄造等工藝，3D打印在很大程度上簡化了制造過程，減少了人工操作，同時也提高了產品的穩定性。

連續碳纖維3D打印工作中，圖片來自：Markforged

在材料工程領域，當我們談論復合材料時，通常指的是加入增強纖維的復合材料。在3D打印領域，有三種最常用的纖維材料，分別是碳纖維、玻璃纖維和凱夫拉爾纖維。這些復合纖維能夠提升傳統3D打印零件的強度、剛度、耐熱性和耐久性，大大拓展了3D打印的應用領域。接下來，我們將逐一介紹這三種最常見的纖維材料。碳纖維復合材料：碳纖維是一種由相互連接的碳原子構成的材料，形成排列成股的晶體結構，能在張力下提供出色的穩定性。因其卓越的強度重量比（為鋁的兩倍），碳纖維被譽為“新材料之王”，在力學性能和化學穩定性方面表現出色，適用于制造輕巧堅固的零件。傳統上，使用熱固性樹脂作為粘合劑，將這些纖維固定成所需的形狀，并在基質材料周圍固化。在3D打印中，有兩種不同的形式：

短纖維被添加到線材中，圖片來自：Markforged

1，短切纖維：將碳纖維切成小于一毫米的細片，混入傳統的熱塑性塑料中進行打印。短纖維融入整個基體并能增強部件，這種材料適用于大多數3D打印機。其中，碳纖維的數量和切碎段的長度會影響零件的強度和質量。

連續纖維增強復合線材，圖片來自：Anisoprint

2，連續纖維：在打印過程中將連續的碳纖維增強束放置在需要加固的地方。連續纖維制造需要兩個不同的噴嘴，首先將連續纖維涂覆在固化劑中，然后放入通過輔助打印噴嘴擠出的熱塑性基質中。最終纖維形成3D打印部件的主干，而熱塑性塑料則起到表皮的作用。

不同類型的連續纖維增強填充，照片來自：Anisoprint

在添加碳纖維后，諸如PLA、PETG、尼龍、ABS或聚碳酸酯等各種基質可以變得更加強大輕巧。然而，添加量會受纖維使用方式和種類的影響。一般而言，連續碳纖維3D打印相對于短切碳纖維更強，因為連續性有助于分散施加的負荷。典型應用

2018年10月，波音公司為777X客機制作了一個大型的3D打印碳纖維增強復合材料部件，長達米。其原料為添加了20%碳纖維的ABS塑料，采用大型增材制造設備及垂直層打印（VLP）技術進行制作，展示了3D打印在航空航天領域的應用。

在最近的案例中，歐洲第一、世界第四的農機制造商CLAAS通過Markforged的連續纖維復合3D打印技術制造了用于吊起17噸重大型機車的吊環，顯示出連續纖維在工業領域中的潛力。玻璃纖維復合材料玻璃纖維材料于1930年問世，是一種堅固且成本效益高的增強材料。在適當的基材上使用時，它可以制造出比ABS強度高十倍的零件。與碳纖維復合材料相比，玻璃纖維復合材料具有較低的剛性和脆性。此外，玻璃纖維還具備出色的機械性能，作為電絕緣體非常有效，且導熱性較低。這種材料有多種顏色可選，并且具有較低的收縮率，可以最大程度地減少零件翹曲的風險。事實證明，玻璃纖維增強的3D打印線材對于需要強大的機械性能和耐熱性的工程原型和最終產品零件非常有價值。典型應用

在2020年10月，Moi Composites通過玻璃纖維3D打印制造了一艘名為MAMBO的船，長米，寬米，重約800公斤。這是世界上首艘使用連續玻璃纖維熱固性材料3D打印的真實船只。制造過程采用了專利的連續纖維制造（CFM）技術，機器人根據3D模型逐層沉積熱固性樹脂浸漬的連續纖維，展示了連續纖維在船舶制造中的潛力。凱夫拉爾纖維凱夫拉爾，也被稱為Kevlar或芳綸，于1971年由杜邦DuPont首次推出，由Stephanie Kwolek首創。它屬于芳綸纖維類別，是一種極其耐用的材料，通常與多種塑料結合以制造復合材料。凱夫拉爾纖維在拉伸強度和疲勞強度方面表現出色，主要用于制造需要承受強烈振動和耐磨性的部件。凱夫拉爾的強度重量比達到了鋼的五倍，并且具有出色的耐熱性，高達400°C。此外，凱夫拉爾還具有低密度、多功能應用和均勻分子結構等特性，有助于制造3D打印的高質量零件。典型應用

一個引人注目的例子是美國的Aptera Motors使用這種復合材料3D打印汽車部件，凸顯了增強材料在汽車制造業中的巨大潛力。目前，在3D打印連續碳纖維市場中，主要的參與者包括美國的Markforged、俄羅斯的Anisoprint。Markforged將其稱為連續長絲制造(CFF)，而Anisoprint將其稱為復合纖維共擠(CFC)。此外，蘇州同異三維也在去年正式將其國產連續碳纖維3D打印機進行了商業化，填補了該領域的技術空白。