短纖維與長纖維：3D打印中選擇什么類型的增強材料？

魔猴君  知識堂   42天前

當我們想要賦予3D打印部件特定且優(yōu)越的性能時，我們通常會求助于復(fù)合材料。它們甚至比某些金屬更堅固并且具有高性能。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的性能。正如你可以想象的那樣，有很多。我們在這里將重點關(guān)注由聚合物基體和纖維增強材料形成的復(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)成增強材料本身的短纖維和長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)-我們今天對擠出特別感興趣，因為它是最常見的。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，其長度可以從幾厘米到幾毫米甚至更短。這個過程類似于用鋼筋加固混凝土的過程。纖維分散在整個塑料基體中，并在整個材料中起到增強作用。另一方面，長纖維或連續(xù)纖維是延伸打印部件整個長度的長纖維。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)建這些零件時要考慮的要點之前，了解兩種增強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：增強材料（纖維）和基質(zhì)（聚合物）。第一個提供機械性能，而第二個起到容器的作用，并在樹脂的幫助下確保兩個元件的內(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）和增強纖維（玻璃、碳或芳綸），它們就會組合成單一材料。

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，當連續(xù)纖維形成長絲時，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直接模制基體和增強材料，但我們稍后會再討論這一點。在這兩種情況下，短纖維和長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)中短纖維和長纖維排列的差異（圖片來源：科倍?。?/span>

如果我們關(guān)注增強材料本身的性能，我們會發(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)合材料將比標準基體塑料具有更先進的性能。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，因為它們賦予最終零件高強度和剛度。玻璃纖維增強材料通常更容易獲得，并且也提供良好的強度，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打印機都是基于擠出技術(shù)。當談到短纖維的FFF 3D打印時，該過程是經(jīng)典的。將短纖維切成小塊，與塑料材料混合，形成細絲線軸，供3D FFF機器使用。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)。后者充當包含增強纖維的封套。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行聚合以融合各層和材料。由于3D打印長纖維復(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纖維增強材料的3D打印（照片來源：Markforged）

纖維（尤其是連續(xù)纖維）打印的一個重要方面是使用有限元分析（FEA）軟件，這是一種預(yù)測產(chǎn)品對力和外部刺激如何響應(yīng)的計算機化方法。這使得分析材料特性并精確定義長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。這對于短纖維來說是不同的，因為我們無法控制沉積的纖維的數(shù)量和位置，因為它們與基質(zhì)是一體的。

短纖維和長纖維的優(yōu)點和局限性

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)的一個重要優(yōu)點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材料。

兩種類型的纖維都比非增強塑料具有更高的機械強度。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，這可能是一個挑戰(zhàn)。

與長纖維相比，短纖維的主要局限性在于它們提供的增強效果較差。事實上，短纖維沿復(fù)合材料的取向和分布更加隨機，而連續(xù)纖維是恒定的。因此，短纖維的增強效果不太明顯，這對于需要高強度的應(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，從而實現(xiàn)更大的設(shè)計靈活性。

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。長纖維非常適合需要高強度和剛度的應(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（底盤增強件或內(nèi)部部件）或航空航天（支撐結(jié)構(gòu)和飛機部件）。它們還可用于需要高阻力的消費品，例如自行車或運動器材。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)、機器人、消費品和其他不需要高拉伸強度的部件。

圖4：用碳纖維增強的PEEK部件（照片來源：Weerg）

生產(chǎn)廠家及價格

短纖維和長纖維復(fù)合材料的3D打印解決方案雖然不如標準聚合物和金屬的3D打印解決方案那么多，但種類繁多，從機械臂到工業(yè)打印機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專利，其中包括Moi Composits、SphereCube、Fabheads、9T Labs和Arevo。

請注意，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)纖維增強零件。

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

編譯整理：3dnatives