3D打印技术能够直接从计算机中的CAD数据直接生成路径,直接生产出任意形状的零件。相对于经典的减法制造方法,3D打印的部件被一层一层地创造,部件形状上具有相当的自由度,使其能够完成消减方法不能够完成的复杂的设计方案;3D打印过程只需3D打印机即可,不需要其他辅助机械,其制造方法及应用部分有待进一步的开发;增材过程的灵活性,使这项技术可用于设计和制造复合材料部件上;3D打印复合材料在生产制造工艺上有诸多可能,3D打印制备热塑性复合材料的机遇和技术挑战并存。
目前国内外多家3D打印耗材生产厂商都己推出了以ABS、PLA或尼龙为基体的碳纤维增强、玻璃纤维增强、导电及磁性长丝材料。同时针对三维立体打印(3DP)使用的石膏粉末和选择性激光烧结(SLS)用的尼龙粉末也有相应的纤维增强复合材料研宄。在各种3D打印技术中,能够进行复合材料3D制造的主要有选区激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)、分层实体制造(laminated object manufacturing,LOM)以及立体光刻技术(stero lithography,SL)。
FDM技术的打印方法是将塑料耗材通过喷嘴加热熔融后按照每层打印路径挤出在平台上;该工艺成本低、设备简单、易于操作,但是却存在成型速度慢、成型制品表面质量差等缺陷。以熔融沉积成型(FDM)工艺为代表的材料挤出成型打印方法,要求使用无定形聚合物作为原料,这极大地限制了可使用原料的数量。目前最为常用的两种材料为ABS和聚乳酸(PLA)材料。之所以这两种材料的使用最为广泛,是因为熔融沉积成型(FDM)工艺对材料有着具体的性能要求,比如相对较低的玻璃化温度(Tg)和熔化温度(Tm),以及冷却凝固时较低的收缩率等。
熔融沉积成型技术制备复合材料必须制备复合材料耗材作为3D打印耗材,再按照3D打印的方法熔融、挤出、堆积,在这个过程中复合耗材中的纤维可能会阻碍打印挤出,会造成挤出不均匀等现象;所以熔融沉积成型技术制备复合材料时不仅应考虑对材料性能进行改进,还应考虑设备及工艺的调整咖。
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