短纖維與長(zhǎng)纖維：3D打印中選擇什么類型的增強(qiáng)材料？

魔猴君  知識(shí)堂   1天前

當(dāng)我們想要賦予3D打印部件特定且優(yōu)越的性能時(shí)，我們通常會(huì)求助于復(fù)合材料。它們甚至比某些金屬更堅(jiān)固并且具有高性能。復(fù)合材料由兩種或多種材料制成，與原材料相比，這些材料組合起來可獲得新的或改進(jìn)的性能。正如你可以想象的那樣，有很多。我們?cè)谶@里將重點(diǎn)關(guān)注由聚合物基體和纖維增強(qiáng)材料形成的復(fù)合材料。在3D打印行業(yè)中，碳纖維、玻璃纖維和Kevlar是用于復(fù)合材料的三種最常見的纖維類型。

在本文中，我們將特別關(guān)注構(gòu)成增強(qiáng)材料本身的短纖維和長(zhǎng)纖維之間存在的差異。根據(jù)您所做的選擇，您將獲得不同的結(jié)果并使用不同的技術(shù)-我們今天對(duì)擠出特別感興趣，因?yàn)樗亲畛Ｒ姷?。那么這兩種技術(shù)之間有何異同？如何為特定應(yīng)用選擇最合適的加固類型？

圖1：照片來源：Anisoprint

短纖維和長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的特性

短纖維是指較小的纖維材料塊，其長(zhǎng)度可以從幾厘米到幾毫米甚至更短。這個(gè)過程類似于用鋼筋加固混凝土的過程。纖維分散在整個(gè)塑料基體中，并在整個(gè)材料中起到增強(qiáng)作用。另一方面，長(zhǎng)纖維或連續(xù)纖維是延伸打印部件整個(gè)長(zhǎng)度的長(zhǎng)纖維。這些纖維在3D打印過程中嵌入塑料基體中，形成結(jié)合了兩者特性的復(fù)合材料。在討論增材制造工藝本身以及創(chuàng)建這些零件時(shí)要考慮的要點(diǎn)之前，了解兩種增強(qiáng)材料的特性非常重要。

在這兩種情況下，我們發(fā)現(xiàn)相同的成分：增強(qiáng)材料（纖維）和基質(zhì)（聚合物）。第一個(gè)提供機(jī)械性能，而第二個(gè)起到容器的作用，并在樹脂的幫助下確保兩個(gè)元件的內(nèi)聚力，也就是說在生產(chǎn)過程中纖維與材料的粘附。一旦選擇了基體化合物（最常見的聚合物是PLA、ABS、聚丙烯、HIPS、PETG等）和增強(qiáng)纖維（玻璃、碳或芳綸），它們就會(huì)組合成單一材料。

短纖維可以通過擠出工藝獲得：將纖維和基體的混合物熔融并擠出形成單絲。在此過程中，可以控制溫度和速度以確保良好的纖維分布。另一方面，當(dāng)連續(xù)纖維形成長(zhǎng)絲時(shí)，可以通過將混合物與樹脂混合、聚合和固化的過程與特殊樹脂共擠出。在某些情況下，有些生產(chǎn)系統(tǒng)可以在連續(xù)層的沉積過程中同時(shí)直接模制基體和增強(qiáng)材料，但我們稍后會(huì)再討論這一點(diǎn)。在這兩種情況下，短纖維和長(zhǎng)纖維必須清潔且無污染物，以確保與聚合物基體的良好粘附力。

圖2：基質(zhì)中短纖維和長(zhǎng)纖維排列的差異（圖片來源：科倍隆）

如果我們關(guān)注增強(qiáng)材料本身的性能，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它們根據(jù)用作基體的聚合物和纖維類型的選擇而顯著不同。顯然，如果基礎(chǔ)塑料材料是高科技聚合物，則復(fù)合材料將比標(biāo)準(zhǔn)基體塑料具有更先進(jìn)的性能。例如，如果復(fù)合材料具有聚丙烯基體，則它將具有良好的基本耐磨性、良好的減震能力以及更大的韌性和柔韌性。另一方面，如果使用PLA，復(fù)合材料將更容易打印，但由于材料強(qiáng)度低，更容易破裂。

正如我們提到的，纖維主要分為三種類型：短纖維和連續(xù)纖維：碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維（凱夫拉纖維）。碳纖維在制造業(yè)中應(yīng)用最廣泛，因?yàn)樗鼈冑x予最終零件高強(qiáng)度和剛度。玻璃纖維增強(qiáng)材料通常更容易獲得，并且也提供良好的強(qiáng)度，盡管不如碳纖維那么高。最后，凱夫拉纖維因其高抗沖擊性和抗沖擊性而經(jīng)常用于防彈背心。在所有情況下，使用纖維的目的是獲得堅(jiān)固且輕質(zhì)的部件。

3D打印工藝

大多數(shù)能夠加工復(fù)合材料的3D打印機(jī)都是基于擠出技術(shù)。當(dāng)談到短纖維的FFF 3D打印時(shí)，該過程是經(jīng)典的。將短纖維切成小塊，與塑料材料混合，形成細(xì)絲線軸，供3D FFF機(jī)器使用。在這種情況下，纖維只是懸浮在熱塑性塑料中，然后加熱并擠出以逐層形成部件，就像使用該技術(shù)制造的任何其他部件一樣。然而，需要鋼噴嘴來抵抗磨料纖維束。

另一方面，長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的3D打印則更為復(fù)雜。在材料擠出過程中，常常需要第二個(gè)噴嘴來分別沉積基體和纖維。另一種方法是使用能夠?qū)⒗w維與基體混合的單個(gè)打印頭。該過程涉及將連續(xù)纖維以特定方向放置在基質(zhì)內(nèi)。后者充當(dāng)包含增強(qiáng)纖維的封套。為了確保纖維與基體的粘附，通常使用熱固性樹脂。然后使用紫外線或熱源進(jìn)行聚合以融合各層和材料。由于3D打印長(zhǎng)纖維復(fù)合材料有許多專有技術(shù)，因此工藝描述故意采用通用性。

圖3：聚合物基體和Kevlar纖維增強(qiáng)材料的3D打?。ㄕ掌瑏碓矗篗arkforged）

纖維（尤其是連續(xù)纖維）打印的一個(gè)重要方面是使用有限元分析（FEA）軟件，這是一種預(yù)測(cè)產(chǎn)品對(duì)力和外部刺激如何響應(yīng)的計(jì)算機(jī)化方法。這使得分析材料特性并精確定義長(zhǎng)纖維在基體中的排列方式成為可能。另一方面，這也意味著尊重某些設(shè)計(jì)限制，以有利于纖維的正確定位，從而有利于零件的性能。因此，材料的具體性能將根據(jù)受控過程來定義。這對(duì)于短纖維來說是不同的，因?yàn)槲覀儫o法控制沉積的纖維的數(shù)量和位置，因?yàn)樗鼈兣c基質(zhì)是一體的。

短纖維和長(zhǎng)纖維的優(yōu)點(diǎn)和局限性

眾所周知，與傳統(tǒng)方法相比，復(fù)合3D打印的主要優(yōu)勢(shì)包括更高的靈活性和生產(chǎn)速度，以及創(chuàng)建復(fù)雜零件的能力。此外，正如我們剛才提到的，如果使用連續(xù)纖維，該技術(shù)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是它可以控制沉積過程并決定在何處以及如何放置最終部件的增強(qiáng)材料。

兩種類型的纖維都比非增強(qiáng)塑料具有更高的機(jī)械強(qiáng)度。特別是，它們提高了材料的剛性并提高了其抗疲勞和抗沖擊能力。此外，碳纖維等纖維非常輕，有助于減輕零件的重量。同樣，短纖維和長(zhǎng)纖維也有一定的局限性。例如，需要特定的3D打印設(shè)備來生產(chǎn)它們。加工復(fù)合材料時(shí)需要考慮許多方面，例如纖維和塑料基體之間的粘合力，這可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。

與長(zhǎng)纖維相比，短纖維的主要局限性在于它們提供的增強(qiáng)效果較差。事實(shí)上，短纖維沿復(fù)合材料的取向和分布更加隨機(jī)，而連續(xù)纖維是恒定的。因此，短纖維的增強(qiáng)效果不太明顯，這對(duì)于需要高強(qiáng)度的應(yīng)用來說可能不夠。然而，短纖維復(fù)合材料的主要優(yōu)點(diǎn)之一是它們比連續(xù)纖維復(fù)合材料更容易加工并且通常更便宜。最后，短纖維可以與更廣泛的塑料材料一起使用，從而實(shí)現(xiàn)更大的設(shè)計(jì)靈活性。

應(yīng)用領(lǐng)域

纖維和聚合物基體的選擇顯然取決于應(yīng)用和所需的性能。長(zhǎng)纖維非常適合需要高強(qiáng)度和剛度的應(yīng)用，而短纖維更適合需要易于加工和降低成本的項(xiàng)目。這就是為什么連續(xù)纖維最常用于高科技領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)部件，例如汽車（底盤增強(qiáng)件或內(nèi)部部件）或航空航天（支撐結(jié)構(gòu)和飛機(jī)部件）。它們還可用于需要高阻力的消費(fèi)品，例如自行車或運(yùn)動(dòng)器材。另一方面，3D打印短纖維復(fù)合材料也常用于生產(chǎn)原型。它們還經(jīng)常用于包裝行業(yè)、機(jī)器人、消費(fèi)品和其他不需要高拉伸強(qiáng)度的部件。

圖4：用碳纖維增強(qiáng)的PEEK部件（照片來源：Weerg）

生產(chǎn)廠家及價(jià)格

短纖維和長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的3D打印解決方案雖然不如標(biāo)準(zhǔn)聚合物和金屬的3D打印解決方案那么多，但種類繁多，從機(jī)械臂到工業(yè)打印機(jī)再到解決方案辦公室。在連續(xù)纖維3D打印解決方案提供商中，Markforged提供連續(xù)纖維制造(CFF)技術(shù)以及一系列工業(yè)和辦公解決方案。它們能夠打印以碳纖維、Kevlar或玻璃纖維增強(qiáng)的PLA、TPU、白色尼龍、Onyx?和ULTEM復(fù)合材料。Anisoprint還提供使用復(fù)合纖維共擠(CFC)技術(shù)的連續(xù)纖維3D打印解決方案。由于開放系統(tǒng)，辦公解決方案在材料選擇方面提供了極大的靈活性，而ProM IS 500工業(yè)解決方案與PEI、PEEK、PEKK等高性能塑料兼容。其他提供連續(xù)纖維3D打印解決方案的公司包括Continuous Composites或CEAD，它提供LFAM解決方案。

圖5：照片來源：Anisoprint

更多初創(chuàng)企業(yè)正在研究連續(xù)纖維復(fù)合材料的新3D打印工藝并為其申請(qǐng)專利，其中包括Moi Composits、SphereCube、Fabheads、9T Labs和Arevo。

請(qǐng)注意，生產(chǎn)過程中不僅存在加固技術(shù)。例如，西班牙初創(chuàng)公司Reinforce 3D設(shè)計(jì)了CFIP（連續(xù)纖維注射工藝）技術(shù)，在增材制造后的后處理階段用連續(xù)纖維增強(qiáng)零件。

說到短纖維復(fù)合材料3D打印機(jī)制造商，主要有能夠加工碳纖維或其他纖維增強(qiáng)高性能材料的FFF機(jī)器制造商。其中包括Roboze、Stratasys、3ntr、miniFactory、BigRep、WASP或Creality（列表并不詳盡）。

編譯整理：3dnatives