最新技術：碳纖維3D打印，第一部分
時間：2019-12-20 08:55 來源：中國3D打印網 作者：中國3D打印網 閱讀：次
中國3D打印網12月20日訊，自1970年代以來，由于碳纖維具有很高的強度重量比和剛度，因此已被用作相對便宜的替代金屬，如鈦材料等。因此，尋找一種用碳纖維和其他增強材料進行3D打印的方法已成為增材制造領域許多初創企業和成熟制造商的目標。
Markforged是第一個使用MarkOne 3D打印機將連續碳纖維用于3D打印的公司。
中國3D打印網將在簡短的系列文章中研究這種奇妙的材料，該材料跟蹤碳纖維的根源和生命周期，如何在制造中使用碳纖維以及如何將其編織到3D打印中。要了解在3D打印中如何使用碳纖維增強材料以及為什么使用碳纖維增強材料，有助于了解碳纖維增強材料在傳統制造中的使用方式以及碳纖維零件的制造方式。
全球碳纖維技術發展情況
不管您是否知道，碳纖維已經進入您的世界。盡管它主要用于航空航天，但也越來越多地進入汽車，土木工程，電子和體育用品領域。航空航天領域的主要目標之一是減輕飛機的重量，從而減少將大型飛機推向天空所需的昂貴燃料。波音787夢幻客機成為第一架由50％的復合材料（主要是碳纖維）制成的飛機，但最近被空中客車A350 XWB所取代，該飛機的碳纖維增強聚合物（CFRP）零件為52％。
BMW i3的碳纖維底盤。
在汽車工業中，由于碳纖維的價格，CFRP組件更可能出現在特種車輛中，例如賽車和超級跑車。寶馬在量產的i3和i8電動汽車的材料方面發揮了專業知識，其底盤由大量CFRP零件制成。通過使用碳纖維，汽車公司能夠減輕車輛的重量，從而使電池進一步推動汽車行駛。但是，更新的iNext將減少CFRP項目，部分原因是增加的電池容量和對電動汽車的需求增加，從而使碳纖維的成本競爭力降低。
如果您是狂熱的網球運動員或騎自行車者，則可能已投資購買了碳纖維球拍或自行車車架。還有，您可能會開車經過經過碳纖維增強混凝土改造的橋梁。
碳纖維的制造方法
碳纖維是在19世紀下半葉發明的，用作燈泡中的燈絲。直到1958年，聯合碳化物公司才開始制造用于制造的碳纖維，全世界的研究人員都在同時追求這一目標。如今，大約90％的碳纖維是通過加熱稱為聚丙烯腈（PAN）的石油衍生聚合物來制造的。由于其普遍存在，我們將繼續專注于生產PAN基碳纖維。在將PAN加熱到300°C之前，先將其纏繞成長絲紗線，然后再將其穩定化，以預料隨后的步驟：碳化。在碳化過程中，將前體材料拉成長束，并在惰性（無氧）室內加熱到2000°C。沒有氧氣，材料不會燃燒，而是會除去除碳原子以外的所有碳。結果是形成了一層僅5至10微米厚的細絲狀碳層。然后將碳纖維浸入氣體（空氣，二氧化碳或臭氧）或液體（次氯酸鈉或硝酸）中，以便可以更輕松地與其他材料粘合。
Markforged是第一個使用MarkOne 3D打印機將連續碳纖維用于3D打印的公司。
中國3D打印網將在簡短的系列文章中研究這種奇妙的材料，該材料跟蹤碳纖維的根源和生命周期，如何在制造中使用碳纖維以及如何將其編織到3D打印中。要了解在3D打印中如何使用碳纖維增強材料以及為什么使用碳纖維增強材料，有助于了解碳纖維增強材料在傳統制造中的使用方式以及碳纖維零件的制造方式。
全球碳纖維技術發展情況
不管您是否知道，碳纖維已經進入您的世界。盡管它主要用于航空航天，但也越來越多地進入汽車，土木工程，電子和體育用品領域。航空航天領域的主要目標之一是減輕飛機的重量，從而減少將大型飛機推向天空所需的昂貴燃料。波音787夢幻客機成為第一架由50％的復合材料（主要是碳纖維）制成的飛機，但最近被空中客車A350 XWB所取代，該飛機的碳纖維增強聚合物（CFRP）零件為52％。
BMW i3的碳纖維底盤。
在汽車工業中，由于碳纖維的價格，CFRP組件更可能出現在特種車輛中，例如賽車和超級跑車。寶馬在量產的i3和i8電動汽車的材料方面發揮了專業知識，其底盤由大量CFRP零件制成。通過使用碳纖維，汽車公司能夠減輕車輛的重量，從而使電池進一步推動汽車行駛。但是，更新的iNext將減少CFRP項目，部分原因是增加的電池容量和對電動汽車的需求增加，從而使碳纖維的成本競爭力降低。
如果您是狂熱的網球運動員或騎自行車者，則可能已投資購買了碳纖維球拍或自行車車架。還有，您可能會開車經過經過碳纖維增強混凝土改造的橋梁。
碳纖維的制造方法
碳纖維是在19世紀下半葉發明的，用作燈泡中的燈絲。直到1958年，聯合碳化物公司才開始制造用于制造的碳纖維，全世界的研究人員都在同時追求這一目標。如今，大約90％的碳纖維是通過加熱稱為聚丙烯腈（PAN）的石油衍生聚合物來制造的。由于其普遍存在，我們將繼續專注于生產PAN基碳纖維。在將PAN加熱到300°C之前，先將其纏繞成長絲紗線，然后再將其穩定化，以預料隨后的步驟：碳化。在碳化過程中，將前體材料拉成長束，并在惰性（無氧）室內加熱到2000°C。沒有氧氣，材料不會燃燒，而是會除去除碳原子以外的所有碳。結果是形成了一層僅5至10微米厚的細絲狀碳層。然后將碳纖維浸入氣體（空氣，二氧化碳或臭氧）或液體（次氯酸鈉或硝酸）中，以便可以更輕松地與其他材料粘合。
碳纖維可以繞成卷軸，也就是所謂的“絲束”，然后以這種形式使用。但是，更常見的是將其編織成薄板。然后將這些薄板與聚合物樹脂基體結合在一起，制成CFRP零件。發生這種情況的方式很大程度上取決于要制造的組件類型。可以將碳纖維板放入模具中，然后在模具中填充樹脂并加熱或暴露在空氣中直至變硬。或者，可以在模具上襯上增強纖維布，然后將其放入充滿樹脂的真空袋中。這些過程通常是勞動密集型的，這就是為什么要進行批量生產時，使用金屬模具將基體材料和碳纖維材料沖壓在一起的原因。使用預浸材料可以加快這些過程。預浸料使用增強纖維，該增強纖維已被聚合物基質浸透，并且易于部署。
對于諸如飛機的大規模操作，已經開發了更先進和更昂貴的鋪設碳纖維的方法。自動膠帶鋪設可以在寬3至12英寸的預浸料帶，然后使用大型機械龍門系統將其卷繞到一個部件上，進行加熱和壓縮。盡管它的吞吐率不盡相同，但自動纖維鋪放（AFP）技術與碳纖維絲束執行的操作類似，從而可以實現更高的精度和幾何復雜性。
各向異性
值得一提的是碳纖維表現出各向異性（方向相關）的特性。考慮一下一塊纖維增強材料，例如一塊木板，這是最有幫助的：沿紋理最硬。因此，在制造增強布時，碳纖維經常以縱橫交錯的方式編織。隨著我們了解將碳纖維引入3D打印的各種方法（例如，與連續碳纖維相比，短切碳纖維的強度），這一特性將發揮作用。
3D打印中的碳纖維
在碳纖維3D打印的整個世界中都可以找到許多上述技術和應用。用于纖維增強的3D打印的一些新興方法嚴重依賴于預浸料，而其他方法則使用絲束。在第二部分中，我們將專門研究當前用于碳纖維3D打印的各種技術。
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