一文看懂连续纤维复合材料的3D打印现状

根据3D科学谷的市场观察,复合材料连续纤维的3D打印正在处于厚积薄发的节点上,而介于目前金属的3D打印多局限在航空航天及医疗这些高附加值产品的应用领域,3D科学谷认为当前的发展趋势使得塑料的3D打印将比金属的3D打印与应用端的结合面具有更加广泛的潜力。

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当然复合材料的连续纤维3D打印从技术上分为不同种类,让我们先来大致了解下国外目前这个领域活跃的不同的技术:

乱花渐欲迷人眼的各种技术

block 条条大路通罗马的技术

Tech_compositesworld来源:compositesworld

l In-situ impregnation-原位浸渍:将干纤维送入喷嘴,同时在通过共挤出进行沉积的过程中,通过一种或多种流入方式注入基质材料。在沉积前将基体引入,加热并原位浸渍纤维。

l Co-extrusion with towpreg-丝束共挤出:代替干纤维,将预浸料/薄预浸料带送入喷嘴,加热并与其他基质材料共挤出。通常,丝束中的基质与共挤出中的基质相同。Anisoprint是一个例外,其中的预浸料基质是热固性的,而共挤出是热塑性的。

l Towpreg extrusion-拖丝挤出:丝束料的输入被加热并挤出而没有任何其他材料。

l In-situ consolidation-原位合并:这种工艺类似与热塑性塑料自动纤维铺放(AFP)的缩小版本,其中在沉积时将输入的热塑性丝束/预浸料带原位固化。在进料过程中,原料由喷嘴处的外部能源加热,然后在沉积过程中通过压力辊放置和固化。

l Inline Impregnation-内联浸渍:与3D细丝缠绕类似,在将纤维传输到打印头时将其浸渍。如同丝束挤出一样,沉积是通过喷嘴进行的。

另外丝束挤出通常被描述为熔融沉积(FDM),该术语由Stratasys注册了商标。

在3D打印行业中,为了避免与Stratasys注册的商标发生冲突,通常用熔融长丝制造(FFF)表示该工艺。不过连续长丝制造(CFF)则具体特指使用连续纤维增强进行3D打印。

此外,短纤维复合材料也不甘示弱,根据3D科学谷的市场观察,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室-LLNL的改进型直接墨水书写(DIW-也被称为robocasting)已经成功3D打印航天级碳纤维复合材料,成为第一个这样做的研究实验室。被描述为“终极材料”的碳纤维复合材料开辟了创造轻量化、强于钢件的可能。更多发展中的碳纤维打印技术,请参考《不仅仅是汽车,美国人玩3D打印的“大”趋势

打印机品牌举例

Tech_3

block 一体式

9T Labs:这是一家位于瑞士的公司,其开发的两步Red系列技术包括用于铺层的构建模块和用于整合碳纤维增强PEKK(聚醚酮酮)和PA12(聚酰胺)材料的Fusion熔化模块。9T Labs正在开发具有无限旋转功能的类似AFP工艺加工的复合材料制备工艺,并与法国一家先进的金属零件制造商Setforge建立了合作,证明了其生产相对大量高性能零件的潜力。

Anisoprint:这家公司开发了双喷嘴复合纤维共挤出(CFC)技术,通过使用一个喷嘴进行FFF成型,将一个喷嘴进行碳或玄武岩丝料共挤出,可加工的材料从一系列PLA(聚乳酸)热塑性塑料到PEEK(聚醚醚酮)。更多信息,请参考3D科学谷之前发布的《连续碳纤维复合材料3D打印在智能自感应零件中的应用潜力

Desktop Metal: 通过机器人工具更换器在FFF和μAFP(微型AFP)沉积头之间切换。其LT型号可以打印碳(CF)或玻璃纤维(GF)以及尼龙PA6,而其HT型号可以打印PEEK和PEKK,该公司同时生产台式和工业3D打印机。更多信息,请参考3D科学谷之前发布的《探索独角兽金属3D打印公司Desktop Metal的趋势逻辑

APS Tech Solutions:这是一家来自奥地利的公司,是一种CFF工艺,具有集成的在线切割机和带有四个打印头的自动更换系统。可用于加工多种材料,包括PLA,ABS,PEEK和用于烧结应用的金属/陶瓷。

Markforged:这家公司开发了twin-n喷嘴连续纤维增强(CFR)技术通过使用CFR喷嘴将连续CF碳纤维,GF玻璃纤维或AF和PA增强到零部件中,该公司同时生产台式和工业3D打印机。更多信息,请参考3D科学谷之前发布的《投资界的碳纤维风

Impossible Objects: 这家公司的CBAM技术类似于熔融沉积成型(FDM)技术,但是,与FDM直接在一个空的打印床上层积材料不同,该技术在一种纤维板上打印。通过这种打印工艺中,打印机的喷头将聚合物粉末堆叠起来,并用内置热源把它们融合在一起。最后,由一名技术人员将不需要的材料移除,打印过程就完成了。CBAM 打印过程中可以使用多种类型的聚合物粉末,从而产生不同的复合材料。更多信息,请参考3D科学谷之前发布的《高强度塑料3D打印设备Impossible Objects首批用户包括捷普

block 机器人/单元混合动力

Arevo:这是家来自美国加利福尼亚州的公司,Arevo Labs通过可扩展的以机器人为基础的增材制造RAM(Robot-Based Additive Manufacturing)设备用来打印复合材料。3D科学谷曾介绍过该平台由一个市售的机械臂,复合沉积端执行器和一个全面的软件套件。目前软件是专门针对ABB IRB 120六轴机器人,但可扩展的软件也可以支持更大的ABB机器人型号和尺寸。此外,Arevo Labs不仅提供碳纤维工业级3D打印机,还提供3D打印的新型碳纤维和碳纳米管(CNT)增强型高性能材料,而且使用其专有的3D打印技术和专用软件算法可以使用市场上现有的长丝融熔3D打印机制造产品级的超强聚合物零部件。

CEAD:这是一家来自荷兰的连续纤维增材制造(CFAM)技术提供商,其Prime单元是基于龙门的,而其AM Flexbot是基于机器人的。两者都将颗粒挤压与单向(UD)胶带结合在一起。该公司最近与Royal HaskoningDHV和DSM一起打印了GF / PET材料的桥,其中使用了短切纤维和连续纤维,CEAD计划很快推出更大版本的系统。

Mantis Composites:来自美国加利福尼亚州的公司,通过FFF工艺和五轴机床,可对太空和飞机应用中的复杂零件进行3D打印。尽管材料因客户和零件要求而异,但它主要使用碳纤维和高性能热塑性塑料(例如PEEK)。

block 机器人3D打印

Continuous Composites:来自美国爱达荷州的连续纤维3D打印(CF3D)系统在打印头中用液态热固性树脂原位浸渍连续干纤维,排出湿丝束,湿丝束在速熔聚合之前被固化通过高强度的固化源。连续复合材料自美国于2014年推出首台连续纤维3D打印机,使用各种干式连续纤维(包括电线和光纤)以及与阿科玛及其Sartomer子公司合作开发的速凝树脂。根据3D科学谷的市场观察,全球复合材料领域顶级展会JEC组委会曾将2019年度增材制造(3D打印)创新大奖授予美国连续复合材料公司、空军研究实验室、洛克希德·马丁公司。以来,据悉该技术有潜力重塑现有复合材料无人机、低成本复合材料航空结构的生产模式

Electroimpact:专注于研究超轻碳纤维材料打印塑形技术和大型设备。Electroimpact为包括土耳其航空航天公司(TAI)和中国西飞(西安飞机工业集团)生产设计过 E7000 机身铆钉枪,其中2014年五月份交付西飞的设备主要用于中国支线飞机 ARJ21 的机身铆钉和螺栓的安装。

Ingersoll:基于英格索尔在龙门式铣床方面的技术,英格索尔的MasterPrint设备将不仅仅用于增材制造。该设备可以自动切换熔融挤出头至5轴铣削头,通过铣削加工来进行3D 打印加工的后处理工作。这是CNC机加工经验与自动纤维放置AFP(automated fiber placement)技术的结合。英格索尔在2018年IMTS芝加哥展会期间退出了一台打印机,可谓是高速大型增材制造设备WHAM的代表(WHAM是Wide and High Additive Manufacturing的简写)。其庞大的龙门式生产工作区域可以一次性打印7mx3mx14m尺寸大小的对象。

valley来源:3D科学谷(www.3dsciencevalley.com)

moi复合材料:这是来自意大利的连续纤维制造(CFM)技术,将在线浸渍或丝束挤出技术用于多种连续纤维和热固性树脂的组合3D打印。迄今为止,目前这家公司最大的3D打印产品是6.5 x 2.5米的MAMBO(增材制造船体)。

Orbital Composites:轨道复合材料这家公司的ORB 1系统可以使用原位浸渍和FFF喷嘴处理PA,PEI,PPS,PEEK,CF(3K至100K丝束)-碳纤维,GF-玻璃纤维,金属增强的热固性塑料电线和光纤。其模块化平台易于扩展,并且正在开发多个更大的系统。空间在轨制造方面,轨道复合材料这家公司开发了由并联机器人、模块化同轴挤出末端执行器构成的3D打印设备,可适应多种复合材料,包括热固性/热塑性塑料和碳化硅等塑料、陶瓷,还能够复合打印金属和其他导电材料到复合材料中,包括铜丝、铝丝、纳米材料、导电油墨等。

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block 面向生产

当然,以上是部分的复合材料3D打印企业介绍,根据3D科学谷的市场观察,这个领域正在涌现更多的企业。这其中典型的包括来自美国加州的企业Arris Composites,这家公司在疫情期间获得了4850万美金(约人民币3.4亿)的B轮融资,其目的是实现下一代大众市场的连续纤维复合材料3D打印生产级应用。

还有一家是总部位于瑞士卢森堡,研发位于莫斯科的Anisoprint,这家公司开发了国际领先的连续纤维3D打印技术,包括桌面级和工业级3D打印机、连续纤维(碳纤维和玄武岩纤维)打印材料和聚合物打印材料、以及专有设计优化软件(Aura),以制造最佳的复合材料。

Anisoprint的技术基于复合材料的单向性,开发的复合纤维共挤(CFC)技术允许将价格低廉的设备与生产具有优异机械性能的结构元件的能力结合起来,将不同的热塑性聚合物可以用连续纤维增强,在单阶段全自动过程中进行固结和固化,而无需后期处理或加工。两基质(热固性+热塑性)方法可确保低孔隙率,纤维与聚合物的良好粘合性以及出色的机械性能。CFC增强复合材料比FDM/塑料强30倍,比铝强2倍、轻2倍,比钢轻7倍,允许生产具有多种特性的复杂形状。

在国内,根据环球时报,2020年5月5日, 长征五号B(以下简称“长五B”)遥一运载火箭在海南文昌航天发射场将我国新一代载人飞船试验船成功送入预定轨道。试验船上搭载了一台我国自主研制的“复合材料空间3D打印系统”,科研人员将这台“3D打印机”安装在了试验船返回舱之中,飞行期间该系统自主完成了连续纤维增强复合材料的样件打印,并验证了微重力环境下复合材料3D打印的科学实验目标。

复合材料的3D打印在2020年已经验证其发展三大趋势。一是我们将继续看到流程和系统的工业化,硬件与软件发展的结合将更加支持大批量生产。二是对系统进行更多的传感控制,以实现实时过程控制-热,尺寸和光学传感可提高过程公差。三是用于提高3D打印操作效率的新软件(例如,预处理工作流程,作业管理等)更加成熟,从而更深入的用于多材料零件的新设计和仿真。

正如3D科学谷在《3D打印发展趋势及中国市场的机遇与挑战》白皮书中所谈到的,复合材料的加工以快速、可靠、低成本的发展趋势,正在成为一种主流制造技术。

总体来说,根据3D科学谷的市场观察,连续纤维3D打印已经成为一种不可小觑的3D打印新势力,下一步是发现更多的市场应用点,一点带面,开启该技术改变制造格局的新篇章。更多分析,请参考3D科学谷发表的《全面剖析2020年复合材料3D打印强势增长趋势

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