Reinforce3D推出連續(xù)纖維注射工藝 (CFIP) 技術(shù)，增強3D打印部件性能

Reinforce3D 是一家位于西班牙的初創(chuàng)公司，于 2022 年獲 BeAble Innvierte Kets Fund (BIKF),、Eurecat 和 Marc Crescenti 的資助,。Reinforce3D旨在進(jìn)一步開發(fā)和商業(yè)化連續(xù)纖維注射工藝 (CFIP) 技術(shù),。



連續(xù)纖維注射工藝 (CFIP) 技術(shù)
CFIP 并不是一種3D打印技術(shù),，而是一種新的后處理技術(shù),，通過使用碳纖維等連續(xù)纖維對 3D 打印部件進(jìn)行加固,，可大幅提高其機械性能和輕量化性能，適用于塑料,、金屬、陶瓷等多種材料,，并支持復(fù)雜纖維路徑設(shè)計,、多部件整體連接以及大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。


△Reinforce3D研發(fā)的Delta機器,，用于加固3D打印零件

CFIP工作原理

1.纖維選擇與準(zhǔn)備
在進(jìn)行CFIP之前,，首先需要選擇合適的連續(xù)纖維材料。這些纖維可以是碳纖維,、玻璃纖維或芳綸纖維等高強度材料,，具體選擇取決于最終應(yīng)用的需求。纖維通常以卷軸形式提供,，并在加工前進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理,，如清潔和涂覆界面劑，以確保纖維材料能與基體材料良好結(jié)合,。

2.纖維注入過程
CFIP的核心在于其獨特的纖維注入機制,。將選定的連續(xù)纖維通過特制的注射裝置精確地注入到已經(jīng)成型但尚未完全固化的零件內(nèi)部或表面，纖維沿著預(yù)先設(shè)計的路徑被鋪設(shè),。在這一過程中,，工程師可以根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的要求來優(yōu)化纖維的方向和分布，從而最大化零件的性能,。

3.纖維與基體材料的整合
在纖維注入的同時,，還需要考慮如何使纖維與零件的基礎(chǔ)材料（即基體）緊密結(jié)合。對于熱塑性塑料制成的零件,，可以通過加熱基體材料至軟化狀態(tài),，使得纖維能夠順利插入并固定在其內(nèi)部。而對于熱固性樹脂,，則可能需要使用特定的化學(xué)試劑或者紫外線照射等方式加速固化過程,，確保纖維與基體形成堅固的整體。

4.后續(xù)處理
完成纖維注入之后,，零件通常需要經(jīng)過進(jìn)一步的固化或硬化處理,。這一階段的目標(biāo)是確保所有組件都能達(dá)到所需的物理和化學(xué)性質(zhì)。此外,，還可能包括去除多余的材料,、打磨表面以及進(jìn)行質(zhì)量檢驗等步驟。


△優(yōu)勢

優(yōu)勢：
●自由的纖維路徑：允許將纖維按照復(fù)雜的路徑放置在各個方向（也可以在打印層之間）,。

●適用于多種材料：可以增強由任何現(xiàn)有 AM 技術(shù)和材料制成的零件,，包括塑料,、金屬和陶瓷。

●可實現(xiàn)整體連接：能夠?qū)⒉煌�的部件整體連接在一起,，并且部件之間具有纖維連續(xù)性,，從而實現(xiàn)超高的連接性能。

●能制造大型結(jié)構(gòu)：高效制造大型,、多材料和多工藝結(jié)構(gòu),。

Reinforce3D合作項目流程


△合作流程

Reinforce3D會與專門的增材制造應(yīng)用工程師一起協(xié)作，以正確使用連續(xù)纖維注射工藝 (CFIP) ,。Reinforce3D會根據(jù)客戶的特定需求定制 CFIP 解決方案,、提供競爭優(yōu)勢并促進(jìn)創(chuàng)新。

1.規(guī)格定義：客戶提供擬議案例的相關(guān)信息,，這些信息可包括零件幾何形狀,、載荷、約束區(qū)域,、材料類型等,。Reinforce3D將通過在3D打印和復(fù)合材料領(lǐng)域的深厚知識和專業(yè)知識做出判斷。

2.概念設(shè)計和拓?fù)鋬?yōu)化：Reinforce3D提出了一種基于專門為 CFIP 技術(shù)開發(fā)的拓?fù)鋬?yōu)化方法,，能夠根據(jù)定義的目標(biāo)（等最小質(zhì)量）確定纖維路徑和 AM 材料的最佳分布,。

3.詳細(xì)設(shè)計和 FEM 驗證：Reinforce3D通過添加所有必要的特征來完善上一步生成的優(yōu)化概念設(shè)計，以確保零件的完整功能和制造可行性,。然后,，使用基于有限元方法的機械模擬進(jìn)行虛擬驗證設(shè)計。

4.原型制造：Reinforce3D 目前擁有從單個單元到小型生產(chǎn)單元的制造能力,，包括 3D 打印部件及其使用 CFIP 技術(shù)的加固,。

5.原型測試：Reinforce3D 可以在實驗室中進(jìn)行原型測試，以通過實驗驗證零件,，例如在確定的負(fù)載條件下校核強度或剛度,。

6.經(jīng)濟(jì)可行性分析：Reinforce3D 還可以根據(jù)客戶定義的年度生產(chǎn)目標(biāo)計算所開發(fā)解決方案的 OPEX 和 CAPEX 成本，其中包括材料,、人工和設(shè)備相關(guān)成本,。


△CFIP 技術(shù)可助力的領(lǐng)域

CFIP技術(shù)與傳統(tǒng)復(fù)合纖維增強工藝的核心區(qū)別是什么？

CFIP技術(shù)與傳統(tǒng)復(fù)合纖維增強工藝的核心區(qū)別主要體現(xiàn)在工藝范式和技術(shù)特性兩個層面：

作為首個后處理增材制造強化技術(shù),，CFIP突破了傳統(tǒng)工藝在制造時序上的限制,。傳統(tǒng)方法需在制造過程中同步完成纖維與基體的復(fù)合（如預(yù)浸料鋪層或纖維纏繞），而CFIP創(chuàng)新性地在3D打印完成后,，通過向預(yù)置的仿生管狀網(wǎng)絡(luò)注入連續(xù)纖維與納米改性樹脂實現(xiàn)性能強化,。這種后處理特性使其具備獨特的部件修復(fù)能力，可對金屬或陶瓷部件進(jìn)行針對性增強,，而傳統(tǒng)工藝僅適用于新制件的一次成型,。



在纖維架構(gòu)設(shè)計方面,，CFIP通過三維拓?fù)鋬?yōu)化實現(xiàn)了跨維度的纖維排布。注射路徑可突破傳統(tǒng)層狀結(jié)構(gòu)的限制,，在打印層間構(gòu)建仿生網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu),，例如在航空部件中實現(xiàn)骨骼狀三維增強網(wǎng)絡(luò)。相較之下,，傳統(tǒng)工藝受限于平面鋪層或簡單纏繞路徑,，難以在復(fù)雜曲面部件中實現(xiàn)力學(xué)最優(yōu)的纖維取向。這種空間自由度的突破使CFIP制件的各向異性指數(shù)降低,。

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