3D打印技術在航天復合材料制造中的應用

3D打印中最廣泛使用的碳纖維形式是短切碳纖維絲。有多種短切碳纖維混合物可供選擇，其中包括高溫熱塑性塑料作為基質(zhì)材料。例如填充有短切碳纖維的PA，PEKK，PEEK和PEI（ULTEM）細絲。

在短切碳纖維長絲中，碳纖維段與熱塑性粒料混合，然后擠出成適合擠出3D打印的長絲。因為碳纖維是斷裂的，而不是連續(xù)的，因此它只能在那些很小的碎片所在的位置提供碳纖維的剛度。

然而，將碳纖維引入熱塑性長絲中可以改善其強度和剛度，但是也可能具有負面影響。一組研究人員發(fā)現(xiàn)，除了所需的強度外，PEEK-碳纖維復合材料的孔隙率更高，印刷層之間的粘合性更差。另一組發(fā)現(xiàn)用于立體光刻的樹脂短切碳纖維具有相似的結(jié)果，包括增加了脆性。

這并不意味著切碎的碳纖維長絲（或樹脂）在3D打印中沒有價值，特別是因為相比之下它要便宜得多。

高性能連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料3D打印技術是以連續(xù)纖維增強熱塑性高分子材料，實現(xiàn)高性能復合材料零件直接3D打印，采用連續(xù)纖維與熱塑性高分子材料為原材料，利用同步復合浸漬-熔融沉積的3D打印工藝實現(xiàn)復合材料制備與成形的一體化制造。復合材料3D打印工藝的主要優(yōu)勢在于成本低，周期短，能實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)復合材料構(gòu)建的快速制造。

在航空航天領域，工程師尋求的纖維體積比率最高為60％左右。但是，使用其他碳纖維3D打印技術時，該比率接近30％至40％。沒有晶格結(jié)構(gòu)，CFC可以達到約45％，在碳纖維重疊的點上，該比率增加了一倍，即比傳統(tǒng)復合材料更強。

由于在單一方向上的熱塑性沉積最少 該零件的材料更少但強度更高

在編織碳纖維中，多層單向纖維交錯交錯以模擬各向同性，最終以犧牲多余材料為代價提供全向強度。但是，使用CFC時，僅在必要時可以增加材料和強度。首先將碳纖維熱塑性塑料帶加熱到高于塑料的熔融溫度。然后，輥將膠帶壓在打印的部分上。熱量，壓力以及冷卻后的印刷零件的結(jié)合使膠帶可以使零件熔融。