ISO/ASTM 52900 標準對增量制造（3D 打印）的定義是：用 3D 模型數(shù)據(jù)來連接材料使其成為制品的過程，通常是疊層成形。增量制造過程使用塑料、金屬、陶瓷、玻璃或復合材料來制造物理模型、原型、樣板、模具構(gòu)件和批量生產(chǎn)器件。3D 打印包括 7 種不同的工藝。制件通過擠出、噴射、光固化、層合或熔結(jié)的方式制成。
3D 打印作為一種數(shù)字制造方式，每年的市場規(guī)模和發(fā)展速度都在成倍數(shù)地增長，它涉及到計算機、機械，其中重要的影響因素是先進的材料科學，尤其是復合材料對增材制造自動化的影響。數(shù)據(jù)表明，到 2026 年全球用于 3D打印的復合材料收入將超過 5 億美元，未來十年內(nèi)復合材料將成為 3D 打印主要的市場機遇。
3D 打印被業(yè)內(nèi)視為一種將生產(chǎn)流程簡化和自動化的方法，它保全了纖維復合材料在重量優(yōu)化和強度方面的優(yōu)勢，對聚合物 3D 打印行業(yè)而言，3D打印的復合材料部件代表了一種更直接指向工業(yè)終端部件生產(chǎn)的途徑，包括用于輕量化飛機和汽車的大型復雜幾何部件。
目前，能使用復合材料的 3D 打印技術(shù)主要有 2 種，分別是熔融沉積（FDM）和粉床熔融（PBF），而后者主要指選擇性激光燒結(jié)（SLS）。
3D 打印材料：與金屬的較量
復合材料通常被預示為未來的材料。它們的強度、性能比任何其他材料都具有令人難以置信的優(yōu)勢。伴隨著波音 787、空中客車 A350 和寶馬 i 系列的閃亮登場，復合材料正在成為一種主流制造的方式。然而，金屬工業(yè)仍然是復合材料行業(yè)持續(xù)成功和增長的巨大威脅。美鋁公司（Alcoa）的第三代鋁 -鋰合金已經(jīng)令許多公司舍棄了復合材料，這些合金被用于各種新的航空航天項目。考慮到僅在過去幾年中，復合材料大規(guī)模生產(chǎn)線已成為可能，這些金屬的向前飛躍可能對復合材料不斷增長的市場滲透率構(gòu)成威脅。
3D 打印是金屬與復合材料競爭的另一個領(lǐng)域。金屬 3D 打印已經(jīng)運作得相當好，適用于各種合金；但目前幾乎沒有復合材料 3D 打印技術(shù)的任何指標，復合材料在性能上還無法與最好的金屬材料所提供的性能相媲美，更不用說類似于帶狀鋪疊的東西。在過去的十年中，金屬 3D 打印的研究一直在進行，這也令其在航空航天及其他領(lǐng)域，如高性能汽車等行業(yè)的應用獲得諸多進展。當使用固體棒為原料時，目前鈦 3D 打印機可以實現(xiàn)與機加工鈦相當?shù)男阅埽M管這些部件需要一定程度的后加工，但是它們對于加工復雜的高強度部件來說是有效的。選擇性激光燒結(jié)（SLS）打印機使用粉狀原料，消除了這一加工步驟，使它們能夠提供足夠精確的元件，如 CFM 的 LEAP 發(fā)動機的燃料噴嘴，但是這種粉末工藝又有諸如孔隙率的其他缺點。
一臺完全功能的碳纖維 3D 打印機應該能夠生產(chǎn)復雜、詳細和強大的部件，大大超過了加工鋁和 3D 打印金屬的能力，其成本在兩者之間，同時允許用戶使用全新的 CFRP（碳纖維增強聚合物）結(jié)構(gòu)來定制其性能。復合原料比一些金屬 3D 打印機所使用的精確粉末合金便宜，并且加熱熱塑性或反應性聚合物所需的能量遠低于熔化金屬所需的能量。由于在這一領(lǐng)域有限的投資和工程上的挑戰(zhàn)，而非任何固有的物理限制，復合材料的這種潛力尚未實現(xiàn)。
金屬是各向同性的，這意味著它們在所有方向上的性質(zhì)是一致的，完全表征它們的彈性狀態(tài)可以通過兩個特性：楊氏模量和泊松比。另一方面，復合材料是各向異性的，并且需要更多數(shù)量的常數(shù)來描述它們的彈性行為。如果有人認為，在一個共同的基準下，當一種3D 打印材料勉強在單向拉伸試驗中擠掉了一些特殊的鋁合金，就認為它“比金屬強”，這種比較變得更加有問題。金屬具有相似的抗壓強度和拉伸強度，而復合材料的抗壓強度遠低于其抗拉強度。復合材料的各向異性也與拉伸、壓縮和剪切載荷的組合等各種其它靜態(tài)強度性能相關(guān)。可以說，在 3D 打印領(lǐng)域，這兩種材料各有所長。
3D 打印技術(shù)：熔融沉積（FDM）和粉床熔融（PBF）
熔融沉積（FDM）
熔融沉積成形工藝（FDM）是普及最廣的 3D 打印技術(shù)，主要使用 ABS、PLA 等材料，其工作原理是將 ABS、PIA 等材料通過加熱熔化，再凝固成形。材料通過擠出機構(gòu)被送進熱熔噴頭，在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭根據(jù)集成化電路系統(tǒng)，讓噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將半熔融狀態(tài)的材料按軟件分層數(shù)據(jù)控制的路徑，擠出并沉積在指定的位置凝固成形，與周圍的材料粘結(jié)，層層堆積成形。
粉床熔融（PBF）
粉床熔融（PBF，選擇性激光燒結(jié) SLS），選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering）技術(shù)由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的 C.R. Dechard 發(fā)明，主要是利用粉末材料在紅外激光照射下高溫燒結(jié)的基本原理，通過計算機控制光源定位裝置實現(xiàn)精確定位，然后逐層燒結(jié)堆積成型。先用鋪粉滾軸鋪一層粉末材料，通過打印設備里的恒溫設施將其加熱至恰好低于該粉末燒結(jié)點的某一溫度，接著激光束在粉層上照射，使被照射的粉末溫度升至熔化點之上，進行燒結(jié)并與下面已制作成形的部分實現(xiàn)黏結(jié)。當一個層面完成燒結(jié)之后，打印平臺下降一個層厚的高度，鋪粉系統(tǒng)為打印平臺鋪上新的粉末材料，然后控制激光束再次照射進行燒結(jié)，如此循環(huán)往復，層層疊加，直至完成整個三維物體的打印工作。
近些年，有一些公司在 3D 打印方面取得了獨特的和突破性的發(fā)展。例如，美國辛辛那提公司與美國橡樹嶺國家實驗室共創(chuàng)了“大面積增量制造”體系，打印速度達到 45-48kg/h。適用于復合材料的大規(guī)模制造。美國EnvisionTEC 公司研發(fā)中小型打印體系，能夠打印玻璃纖維增強高強度塑料。美國 Markforged 公司推出了世界上第一
種商業(yè)化 3D 打印機，可用連續(xù)碳纖維、芳綸纖維或玻璃纖維打印制品。同樣，美國 Arevo 公司研制了增量制造體系，能夠打印連續(xù)纖維增強材料和熱塑性基體的復合材料。
用于 3D 打印的復合材料
玻璃纖維復合材料供應商歐文斯科寧 Owens Corning 的 XSTRAND™ 系列材料可用于 FFF / FDM 3D 打印機，其強度和韌性高于碳纖維填充 ABS、純PP 和標準 PA6。歐文斯科寧 3D 打印玻璃纖維復合材料主要包括 GF30-PP 和GF30-PA6 兩種：GF30-PP 是一種增強聚丙烯絲材，其玻璃纖維含量為 30%，具有很高的硬度，并能抵抗溫度變化、耐化學品腐蝕，耐紫外線老化。
GF30-PA6 是一種增強 PA6 尼龍絲材，玻璃纖維含量為 30%，特點是高強度和耐高溫。由于耐磨性高，GF30-PA6 可以用來替代汽車生產(chǎn)線上使用的鋼制夾具和固定裝置。此外，GF30-PA6 適合應用的溫度范圍在 -20℃至120℃。
此外，增材制造技術(shù)領(lǐng)域的專家Stratasys 公司用于 FDM 3D 打印技術(shù)的尼龍 12CF 材料，含有多達 35% 的碳纖維，因此各種屬性都非常優(yōu)異，比如最終拉伸強度為 76 兆帕（MPA），拉伸模量為7529兆帕，抗彎強度為142兆帕，足以在許多應用中取代金屬，非常適合汽車、航空航天等行業(yè)。這種碳纖維增強熱塑性材料，用于生產(chǎn)
高性能原型，能夠在設計驗證過程中經(jīng)受生產(chǎn)零件的嚴格測試滿足生產(chǎn)環(huán)境的苛刻要求，并可應用于生產(chǎn)線上的夾具制造。
Stratasys 還與邁凱輪建立了合作伙伴關(guān)系。這一合作伙伴關(guān)系已經(jīng)取得實質(zhì)性的進展，包括邁凱倫的一級方程式賽車上已經(jīng)安裝了一些 3D 打印制造的部件。
陶氏杜邦公司在Formnext展會上，推出了新的玻璃和碳纖維增強 3D 打印耗材絲。原本處于競爭關(guān)系的陶氏化學和杜邦合并之后，在 3D 打印耗材行業(yè)中動作不斷，發(fā)揮材料方面的優(yōu)勢搶占市場。杜邦 Zytel 3D 打印專用尼龍材料本身就是一種高性能、強度好的耗材，改性的新材料 Zytel 3D12G30FL BK309和 Zytel 3D10C20FL BK544 則進一步提升強度，可與現(xiàn)有的增強注塑相媲美。新的耗材絲是為了滿足工業(yè)對更硬和更堅固材料的需求而開發(fā)的。
索爾維近期推了出 10% 碳纖填充的 KetaSpire® PEEK（聚醚醚酮）及純Radel®PPSU（聚苯砜）材料，適用于e-Xstream engineering 公司最新發(fā)布的Digimat®-AM（增材制造）軟件（2019.0）。索爾維在現(xiàn)有的純KetaSpire® PEEK AM材料基礎上，擴充了適用于 e-Xstream engineering 公司 Digimat®-AM 軟件的線材產(chǎn)品種類。
近期部分應用案例
3D 打印的混凝土復合材料最新技術(shù)
美國陸軍工程師研發(fā)出了一種新型復合材料，可用作混凝土 3D 打印。值得一提的是，利用這種材料可以打印出更堅固的結(jié)構(gòu)，并且大大縮短了生產(chǎn)時間。
以前使用普通混凝土進行 3D 打印，但是由于含有沙子、沙礫和石塊等材料，容易堵塞機器。為了解決這個問題，美國國防部下屬的陸軍工程兵團（USACE）創(chuàng)建了一種含有各種元素的粘合劑，使得 3D 打印建筑物更有效。
混凝土有兩種主要組成部分：固體混合物和液體混合物。一層固體混合物由粘土、煤灰（煤粒）和硅灰組成，然后結(jié)合沙子、礫石、石頭等材料與粘合劑混合形成完全固體混合物。粘合劑增加了流動時間并改善了混凝土凝固時間。液體混合物包括常用于混凝土中的化學品和液體，以改善其流量和粘度，達到實現(xiàn)快速泵送的目的，其中還包括干燥時減少開裂和尺寸收縮的化學制品，以及用于降低混合物糊化性的增塑劑。
由于有了這種新型粘合劑，混凝土拌合物不需要進行改造，就能具有更理想的性能。根據(jù) USACE 的說法，它還可以提供很高的強度，十分適用于制造強度要求較高的網(wǎng)格層。
航空發(fā)動機將用上 3D 打印復合材料結(jié)構(gòu)件
牛津性能材料公司 Oxford Performance Materials（OPM） 為 CST-100“星際客機”太空飛船（波音和NASA 合作研制的專門執(zhí)行空間近地短途運輸任務）供應 3D 打印零件，該零件為大型、復雜的復合材料承載結(jié)構(gòu)件。在這之前，OPM 公司已經(jīng)為波音 CST-100 空氣新生系統(tǒng)制造了 3D 打印復合材料結(jié)構(gòu)承載管道零件。
牛津性能材料開發(fā)了 OXFAB 3D系列打印材料：OXFAB-N 和 OXFABESD。由于其惰性特點，OXFAB 具有高度耐化學性和耐熱性以及定制電性能的能力，同時抵抗火焰和輻射，這對于高性能的航空航天和工業(yè)零部件十分關(guān)鍵。通過鍍鎳工藝，牛津性能材料發(fā)現(xiàn)新材料可以達到介于鈦合金與高性能航空鋁的性能。經(jīng)過范圍廣泛的機械試驗數(shù)據(jù)證明，OXFAB 可以用于 3D 打印功能完整的、可直接使用的零部件。
制造過程中，OPM 公司利用具有抗熱及支撐高機械載荷的能力高性能碳纖維短纖維增強的熱塑性聚醚酮酮（PEKK），采用增材工藝制造的該零件。該零件是激光燒結(jié) 3D 打印成形，將短的碳纖維摻入到 PEKK 中，極大增強熱塑性材料強度并使其具有傳導性。公司下一步計劃將該技術(shù)應用于民用飛機，最初應用目標是渦扇發(fā)動機上的推力轉(zhuǎn)向葉柵和風扇出口導向葉片，這些零件為次承力結(jié)構(gòu)件，相比傳統(tǒng)手工鋪放工藝可節(jié)省 50% 成本，且節(jié)省勞動力和某些加工步驟。
OPM 公司還希望通過回收增材工藝過程中未使用的粉末以減少成本。實際制造中，在每次運行中只使用了 10%到 12% 粉末，其他 85% 以上未曾使用的粉末可以進行回收，目前公司具有回收一次的能力，正在與其他公司研究開發(fā)回收三次乃至更多次的技術(shù)能力。（文章來源于網(wǎng)絡）
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