取材自engineering.com的文章"Best 3D Printer Materials : Carbon Fiber Edition",作者是Michael Molitch-Hou

如果70億的3D列印業要在3兆規模的製造業市場佔有一席之地,那麼3D科技在製程及材料上都還要再加把勁。雖然CarbonHP這兩家公司展現其製程已追上甚至超越傳統製造方法,但是3D列印要將傳統製程的材料改造成適合疊加製造(AM)使用,則還有一段路要走。

但是隨著多家化學公司(例如DuPontEastman)投入3D列印材料市場,新的材料確實日漸增加,依據市場研究機構IDTechEx的預估,3D列印材料的規模在2025年將高達83億美元。目前光致聚合物(photopolymer)3D列印材料擁有最高的市佔率,但是為了和傳統製造競爭,3D列印必須有複合材料,才有可能成為取代傳統製程的科技。

當談到複合材料的時候,就不能不提及製造業最重要的材料之一,碳纖維強化材料。碳纖維強化因為可以增加零件的強度,同時維持較輕的重量,所以成為金屬(例如,鈦)的經濟替代物。另外,碳纖維強化材料也用在重量及強度是重要考慮因素的領域,例如航空業及汽車業。

但是目前只有少數幾個方法可以將這種質輕但強固的材料融入3D列印製程。以下我們將探索碳纖維強化的高效能世界。

碳纖維如何影響我們的生活

1970年起,碳纖維開始成為工業製造的重要材料,雖然它主要用在航太業,但也逐漸推廣至汽車、運動製品及土木工程等領域。

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1- Airbus A350 XWB具有52%碳纖維零件

碳纖維材料因為具有高的強度重量比,所以被航太業廣泛地用於製造。碳纖維因為強度足以取代金屬零件,另外其質輕的特性可以減輕飛機的重量,因而降低飛行時油料的消耗量。在Airbus A350 XWB(其包含52%碳纖維強化聚合物(CFRP)組件)問世之前,Boeing 787 Dreamliner是擁有最高比率(50%CFRP零件的飛機。

性能汽車的最大特色就是使用碳纖維強化材料,但是因為其價格昂貴,目前鮮少用於量產車種,因此賽車可能會使用碳纖維強化材料,但一般的四門轎車則不然。也就是說,製造商傾向在主流車種使用碳纖維強化材料,例如BMW i3的底盤大多是此種材料。

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2- BMW i3的特色是CFRP零件

如果你熱衷騎車,你的單車可能具有碳纖維車架;如果你開車通過一座橋,它可能經過碳纖維強化。如果你拿著網球拍運動或者在衝浪板上逐浪,很有可能也是賴碳纖維之助。如果你的口袋有量測多巴胺濃度的電極,那也是用碳纖維做的。

碳纖維複合材料是怎麼製造的

碳纖維是在19世紀末由多位工程師所發明,它是由一股股5 - 10 微米厚的碳原子構成,90%的碳纖維製程是將聚丙烯晴(PAN)施以多步驟加熱,直到所有的原子(包括氮及氫)都流失掉,只剩下碳原子。

除了上面提到的PAN製程之外,另外大約有10%的碳纖維是利用所謂的瀝青法製得,也就是將植物、原油或煤加熱成凝膠狀物質,然後在冷卻輪上澱積,再施以後續的製程。以PAN法製得的碳纖維(習稱為無序重疊碳纖維)具有高抗張強度,而以瀝青法製得的碳纖維具有高剛性及高導熱性。

雖然碳纖維可以捲繞成捲軸(也稱為絲束),並以此狀態使用,但是它更常被織成布,並和其他的樹脂型聚合物結合成碳纖維複合材料,此時,該聚合物(通常稱為基質)是作為黏著劑。這些基質材料通常是熱固型塑膠,例如尼龍、聚醚醚酮 (PEEK) 、克維拉(Kevlar)及聚酯。

至於製造碳纖維強化塑膠/聚合物零件的方法,則視製造物件的種類而定。例如,可先將碳纖維布放在具有最終產品形狀的模具中,再倒入基質材料,然後施以熱硬化或空氣硬化。

另外,模具也可以先用強化材料襯裡,再加入基質材料。以上兩種方法都可以利用預先浸泡基質材料的纖維複合材料(預浸物)來實施,以加速製程效率。BMW等公司則是使用另一種方法,也就是將基質材料及強化材料在金屬模具的公母模之間實施壓製。

CFRP零件的製造方法大多屬勞力密集,但是新的自動化方法也開始發展。價格數千萬美元的電腦數位控制機(CNC)可以將帶狀強化材料附加至聚合物零件,再將帶狀物切成適當的長度,加熱使兩者融合,然後在壓熱器中做最後的硬化。

這些製程因為需要用手工或自動化機器來置放碳纖維,要不屬勞力密集且工時冗長的產業,要不機器價格昂貴只有大型製造商才能負擔的起。如果用3D列印來製造CFRP零件,就可以降低其中涉及的人力因素,同時兼具客製一次性零件或縮短複雜零件製造時間的能力。

碳纖維3D列印線材

目前將碳纖維導入3D列印製程最簡單的方法就是使用CFRP線材。這些材料通常是將切碎的碳纖維和熱塑料結合成可用熔融線材製造法(FFF)進行壓出的複合線材。FFF 3D印表機大多是便宜的入門系統,但也有專業與工業級的機種。

多家製造商以不同等級的碳纖維強化材料及基質材料生產CFRP線材。例如,荷蘭colorFabb生產的XT-CF20是將Eastmam Chemical經聚對苯二甲酸乙二醇酯改質(PETG)的共聚酯與20%碳纖維絲結合而成的材料;Proto-pasta生產的Carbon Fiber PLA是聚乳酸(PLA)、玉米澱粉衍生塑料與碳纖維絲的混合物。

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3- XT-CF203D列印而得的碳纖維模型車

Markforged生產自有品牌的碳纖維3D印表機及尼龍-碳纖維複合材料。3DXTECH生產多種不同的碳纖維線材,包括PLAABSPETG、尼龍及PEEK等。

每一種線材都有不同的特性,其中PLA複合線材最容易列印;ABSPETG較為強韌,但也還買的下去;尼龍的強度更高,且耐磨性也比其他複合材料來的好;PEEK則要價不斐,適合製造工業級零件。以上這些材料的強度都比其不含碳纖維的對應材料來的好,並且PEEK是裏面強度最高,耐熱性、耐化學性及耐潮性最好的材料。

這些線材的強度可能是不含碳纖維線材者的2倍,但是切碎的碳纖維能提供的強度仍有其限制,畢竟它是經過切碎。連續碳纖維強化則不然,因為它是由數以千計的碳纖維形成的長股,而非分佈在塑料間的碎片,所以能夠更耐用。

也因為這個原因,Arevo Labs除了含有碳纖維碎片的線材外,還有連續碳纖維線材及含有奈米碳管的線材。該公司的執行長Hemant Bheda表示「我們有結合連續碳纖維與熱塑料的製程,雖然奈米碳管和連續碳纖維的處理方式類似,但奈米碳管的強度比碳纖維高的多」。

但是不論使用碳纖維碎片、連續碳纖維或奈米碳管,大部分的3D列印科技仍被所謂的"層離"所苦,也就是Z軸的層沒有完全融合並導致剝離的現象。因為這個原因,Arevo Labs開發出53D列印技術,除了在XYZ軸列印外,也能從任何角度列印。

該公司表示傳統的3D列印僅在XY軸澱積材料,實際上只能稱為2.5D列印,因此在Z軸方向較為脆弱,也就容易發生層離現象。反觀該公司的5軸機械手臂係由軟體演算法驅動,可以在3D表面(不限於XY平面)澱積材料,因此可以在Z軸方向得到較高的強度,並且美感也得以提升。

以連續碳纖維進行3D列印

Markforged的連續線材製造法(CFF)是目前碳纖維3D列印市場的少數方法之一,並且也是唯二使用連續碳纖維的製造法。這項技術其實與FFF類似,它也是將熱塑料由列印頭壓出,並一層層的澱積在列印床,直到形成整個物件,不同的是它有第二個壓出器,可以在列印過程中將碳纖維絲摻至印物中。

Markforged2014年推出Mark One,但很快的就系統升級成更大、品質更高且更可靠的版本Mark TwoMark Two能夠列印尼龍或碳纖維強化尼龍等基質材料,以及多種強化材料,包括碳、玻璃纖維、高強度與高溫玻璃纖維、克維拉等。

Markforged表示「這項技術可用於製造工具、夾具、最終用戶零件,甚至矯正器械,而且拜CFF法之賜,製成品強度高且質輕。許多客戶原來由金屬切削製造零件,現在改為列印零件。使用CFF節省的成本、時間及材料,正在創造3D列印的新經濟學,它比切削加工及傳統複合材料製造法省很大。」

Markforged印表機不會產生廢棄材料,這和選擇性雷射燒結不同,另外,印好的零件也不需要後加工。使用尼龍或碳纖維強化尼龍作為外殼材料,可以製得低摩擦零件,非常適合用來製造工具及夾具。

Mark OneMark Two可以合理的價格提供客製化碳纖維強化零件。Mark Two的起跳價為5,499美元,小型實驗室及大公司可用以製作雛型零件或製造以碳纖維及其他材料強化的終端產品。

Markforged不是開發出連續碳纖維法的唯一公司,加州Orbital Composites公司推出可以在印物摻入碳纖維的壓出器,目前至少已有一家公司將該壓出器裝設於其碳纖維印表機上。

雖然原來用CNC研磨的物件基本上都可以用3D列印來取代,但複雜的格狀物目前還無法以強化材料列印。另外,就像所有的FFF平台一樣,CFF的速度還不夠快,並且其320 mm x 132 mm x 154 mm的建造體積也嫌太小。

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