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，并支持復雜纖維路徑設計、多部件整體連接以及大規(guī)模工業(yè)應用。


△Reinforce3D研發(fā)的Delta機器，用于加固3D打印零件

CFIP工作原理

1.纖維選擇與準備
在進行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用的需求。纖維通常以卷軸形式提供，并在加工前進行適當?shù)念A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，纖維沿著預先設計的路徑被鋪設。在這一過程中，工程師可以根據(jù)結(jié)構(gòu)力學的要求來優(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)過進一步的固化或硬化處理。這一階段的目標是確保所有組件都能達到所需的物理和化學性質(zhì)。此外，還可能包括去除多余的材料、打磨表面以及進行質(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打印和復合材料領域的深厚知識和專業(yè)知識做出判斷。

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

3.詳細設計和 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行虛擬驗證設計。

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 可以在實驗室中進行原型測試，以通過實驗驗證零件，例如在確定的負載條件下校核強度或剛度。

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


△CFIP 技術(shù)可助力的領域

CFIP技術(shù)與傳統(tǒng)復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合（如預浸料鋪層或纖維纏繞），而CFIP創(chuàng)新性地在3D打印完成后，通過向預置的仿生管狀網(wǎng)絡注入連續(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能力，可對金屬或陶瓷部件進行針對性增強，而傳統(tǒng)工藝僅適用于新制件的一次成型。



在纖維架構(gòu)設計方面，CFIP通過三維拓撲優(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。相較之下，傳統(tǒng)工藝受限于平面鋪層或簡單纏繞路徑，難以在復雜曲面部件中實現(xiàn)力學最優(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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