碳纤维复合材料3D打印之风吹到国内了吗？

     复合材料领域，对于制造业来说最重要的一个领域就是碳纤维增强材料，可以提供与金属相当的强度，又非常轻，碳纤维在需要考虑重量与强度比的行业包括航空航天、汽车领域都有广泛的应用前景。

      国外在碳纤维复合材料领域的设备玩家包括桌面级的Markforged，Orbital Composites，工业级的Arevo Labs、Impossible Objects、EnvisionTec以及AFP技术的Electroimpact等。本期，3D科学谷精选了国内的两大典型案例，感受一下吹进国内的碳纤维风是什么样的？

成都新柯力化工科技

用于3D打印发动机缸盖的碳纤维复合材料

    汽车发动机对材料的强度要求很高，以往都是采用铸铁，但其重量大、散热慢，为了减重和加强散热，使用铝合金的发动机才应运而生。铝合金是既提升汽车性能又是满足轻量化材料，近些年来，铝合金在汽车上的用量不断增加，用作发动机、热交换器、涡轮增压器、变速箱体、车轮以及车声等部件。

    汽车发动机汽缸盖作为汽车关键的配件，其工作过程是否可靠，直接关系到汽车正常运转的性能。气缸内的燃油气体工作时瞬加温度可达到1100℃，而且面临着热冲压、化学腐蚀、高压等多个因素的恶劣环境。因此对气缸盖的结构稳定性、微裂纹、耐高温性、耐腐蚀性要求极高。

图片：国外制造的碳纤维复合铝材料的发动机部件

     针对现有铝合金通过3D打印成型汽车发动机缸盖时易形成微裂纹，导致强度、耐温性降低这一缺陷，成都新柯力化工科技提出一种用于3D打印发动机缸盖的复合材料。该复合材料含有碳纤维前驱体和裂纹修复剂，碳纤维前驱体具有良好的3D打印粘接成型特性，在烧结时碳纤维前驱体在550-600℃转化为碳纤维，从而提高铝合金的强度和耐高温性，进一步通过裂纹修复剂，可细化铝合金的熔融的晶粒，使铝合金的晶粒细小均匀,防止微裂纹产生，从而消除因3D打印成型造成空隙、微裂纹的缺陷。通过用该材料3D打印汽车发动机缸盖，可在300℃的高温下长时间工作不变形。

北京化工大学

可用于航空航天领域的碳纤维增强复合材料3D打印

      北京化工大学的技术是将碳纤维增强复合材料带卷曲在放卷装置上，由送料装置驱动使碳纤维增强复合材料带进入打印供料头，打印供料头将碳纤维增强复合材料带铺设在工作台上，激光发生器的激光源一分为二成为激光头一和激光头二对碳纤维增强复合材料带的侧面和底面进行加热，工作台具有打印成型所需的三维运动。

      卷曲在放卷装置上的碳纤维增强复合材料带由送料装置驱动喂料进入打印机供料头，工作台在程序驱带动下进行X-Y-Z三维的运 动，在将碳纤维增强复合材料铺设在工作台的同时，激光发生器的激光头一和激光头二对带状碳纤维增强复合材料带的侧面和底面进行加热，将碳纤维增强复合材料带与相邻的带状碳纤维增强复合材料粘 接在一起，该过程重复直到完整制品的打印为止。

     打印过程基于微积分原理将制品模型切成若干条带状单元，利用打印机喷头精确定位铺设碳纤维增强复合材料，同时利用激光加热熔接相邻带状碳纤维增强复合材料直到成型整个制品，这种方法特别适用于加工大型制品，能提高复杂制品的生产效率和降低加工成本，且打印出来的实体部件强度和刚度都能大大的提高。

     另外，在3D打印的过程中，原料不需要完全熔化，具有节省能源、工艺简单、成本更低和打印速度快的特点，产品适用性强，尤其适合大型制品打印成型，产品能够应用于航天领域与高端汽车等领域。

     北京化工大学的碳纤维增强复合材料的打印技术让3D科学谷联想到美国麻省理工的创业团队所创立的Impossible Objects的CBAM技术，CBAM技术的加工过程中需要向碳纤维层喷射粘合剂，另外后期的热处理去除粘合剂的过程也必不可少。