新的3D打印技術(shù)可以生產(chǎn)無支撐碳纖維零件

2022年6月2日， 南極熊獲悉,，Colorado State大學(xué)的研究人員，開發(fā)了一種無需支撐結(jié)構(gòu)，也可制作碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料部件的新3D打印方法,。

△正面聚合3D打印方法,，可以產(chǎn)生自由形式和支撐結(jié)構(gòu)

該技術(shù)依賴于一種專門開發(fā)的熱固性樹脂，和一種稱為正面聚合的獨(dú)特固化工藝,，即打印過程中,，可實(shí)現(xiàn)材料在擠出時(shí)固化。采用這種方法,，獲得的部件在沒有任何外部紫外線或紅外線輻射的情況下,，幾乎被立即打印出來。重要的是它們具有剛性,，能夠在沒有支撐的情況下依然保持原始的幾何形狀,。

這種新方法，使得3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)具有零空隙率的特點(diǎn),，并且碳纖維增強(qiáng)材料具有高度定向性,，具有出色的機(jī)械性能。

用于復(fù)合3D打印的熱固性樹脂
對(duì)于那些需要使用3D打印復(fù)合材料部件的人來說,，這是一個(gè)好消息,。它既可以加工短切纖維材料，也可以加工長(zhǎng)連續(xù)纖維材料,。

雖然復(fù)合長(zhǎng)絲是最容易獲得和最容易使用的,，但由于使用溫度低、層間力學(xué)性能差,、空隙率大和纖維體積相對(duì)較低,，由此產(chǎn)生的部件在應(yīng)用于高性能結(jié)構(gòu)時(shí)有一定的欠缺。

根據(jù)Colorado團(tuán)隊(duì)的說法,，他們?cè)诶w維填充的熱固性復(fù)合樹脂中找到了解決方案,。這些低粘度、熱敏性材料,，可以通過直接墨水書寫擠出,，通常比FFF長(zhǎng)絲材料具有更好的熱機(jī)械性能。但問題在于,，熱固性材料歷來受到固化速率相關(guān)的問題困擾,。

通常，人們使用紫外線或可見光固化3D打印的熱固性樹脂,，但光固化變體缺乏高固化速率來保持原始打印的幾何形狀,，它們?cè)谟不�之前�?huì)下垂并需要支撐。它們也不能與不透明或高纖維填充墨水集成,。

或者,，采用熱固化工藝,，但這需要非常高的環(huán)境溫度條件。就目前來看,，在使用3D打印無支撐自由形狀幾何時(shí),，這些方法都沒有被證明是可行的,。

△正面聚合在起作用

無支撐解決方案
正面聚合固化技術(shù)解決了固化率低的問題,，但它是如何工作的呢？在本研究中,，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了基于DCPD（雙環(huán)戊二烯）的熱固性樹脂,，填充了短碳纖維。

樹脂的固化會(huì)在局部使用熱刺激開始,。首先加熱打印床,，然后，啟動(dòng)一個(gè)自我維持的放熱反應(yīng),，從而啟動(dòng)打印路徑,，就像一根炸藥棒上點(diǎn)燃的保險(xiǎn)絲一樣。最終實(shí)現(xiàn),，復(fù)合樹脂在沉積時(shí)就地固化,。

△自我維持的放熱反應(yīng)，沿打印部件向上傳播,，沿途用熱量固化材料

換一種解釋來說,，就是通過將打印速度，與前端速度（放熱反應(yīng)的傳播速度）精確匹配,，可實(shí)現(xiàn)完全無支撐的自由形狀結(jié)構(gòu),，并立即硬化。

除了大大提高機(jī)械性能外,，還發(fā)現(xiàn)添加碳纖維可以增強(qiáng)復(fù)合樹脂的流變行為和導(dǎo)熱性,。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們的正面聚合3D打印技術(shù),，最終可以應(yīng)用于各種增強(qiáng)纖維類型,，甚至顆粒添加劑等。

△該研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為“正面聚合3D打印短碳纖維,，增強(qiáng)熱固性聚合物復(fù)合材料”論文中找到

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

關(guān)于更多此類技術(shù)
隨著3D打印技術(shù)和復(fù)合材料的發(fā)展,。今年早些時(shí)候，瑞士3D打印專家9T Labs在A輪融資中籌集了1700萬美元,，用于將Red Series Additive Fusion解決方案平臺(tái)完全商業(yè)化,。該平臺(tái)結(jié)合了3D打印和壓縮成型，旨在實(shí)現(xiàn),，生產(chǎn)先進(jìn)的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料零件,，和工業(yè)化量產(chǎn),。

在其他地方，以色列3D打印機(jī)制造商Massivit 3D,，最近推出了一款專為縮短生產(chǎn)大幅面復(fù)合模具效率而設(shè)計(jì)的新機(jī)器,。Massivit 10000采用動(dòng)態(tài)澆注(CIM)技術(shù)�,？蓪�(shí)現(xiàn),，澆注過程中創(chuàng)建復(fù)雜的工具。