碳纖維3D列印具有不可思議的速度及撓性(flexibility)

Markforged的機器是桌上型印表機,而新興碳纖維3D列印科技可能需要專用的製造裝置,例如,Impossible Objects的複合基疊加製造法(CBAM。該公司的CBAM藉由高速度及可放大尺寸的方式結合碳纖維強化材料與基質材料,可以解決桌上型碳纖維印表機面臨的一些限制。

一旦CAD檔案經過切片變成個別點陣圖的薄層,印表機就可以將水性印刷液以該點陣圖的形狀澱積在強化材料製成的基板上,然後將熱塑性基質材料刷過該基板,讓其附著至水性溶液,再吹除或真空吸除粉末,僅留下附著至水性溶液的塑料。

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- CBAM用噴墨頭澱積溶液

這個過程係針對每一層CAD檔案重複進行,再將各個基板堆疊、壓製及放入烘箱中,加熱讓基質材料融合在一起。然後將物件自烘箱中取出,利用化學浴或噴砂去除多餘的強化材料,最後得到以碳纖維、玻璃纖維、聚酯、聚乙烯醇PLA、絲及棉強化的熱塑性印物。

以此方法製得的物件比FFF或其他3D列印法製得的物件,在強度上要高上10倍左右。除此之外,因為CBAM不涉及熱塑性材料的熔解,所以可用的材料種類就更為廣泛,例如PEEK

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- 3D列印的股骨柄植入物,材質為碳纖維與PEEK的複合物

此外,因為列印頭每秒鐘可以澱積數以百萬計的液滴,所以列印速度可以快很多。Impossible Objects表示其能夠建造以100/分鐘速度3D列印的CBAM 機器,目前雛型機的列印尺寸雖然只有305 mm x 406 mm,但可以放大到製造整個車蓋。

CBAM可以列印的幾何形狀視所用的強化材料而定,例如,以碳纖維進行的3D列印,需要使用噴砂來去除支撐結構及多餘材料,因此在後加工時物件內部不易處理。如果使用化學法就沒有這個問題,幾何複雜度可以高的多,因為多餘的材料是用溶解去除。

雖然CBAM製得的物件在強度上不及傳統法製得的碳纖維強化物件,但仍比許多其他3D列印技術製得的物件高的多。因此,與傳統技術相較,CBAM能夠以更快速且更便宜的方式建造複雜且耐久的零件,另外,其自動化的程度也比傳統碳纖維強化法高的多。

該公司表示疊加製造(AM)最大的挑戰是快速建造輕質功能性零件的能力,以碳纖維為基礎的CBAM可以製得機械強度極佳的零件,因此可用於取代金屬,其機械性質比現有AM法(例如選擇性雷射燒結、熔融澱積等)製得者好的多,另外,CBAM的列印速度也比現有方法來的快。

這個優勢開啟許多新的市場,尤其是在碳纖維優異強度重量比是重要考慮因素的產業,例如航空業、汽車業、醫療業及運動業等。

目前市面上還沒有CBAM 3D印表機,Impossible Objects預定在2017年初推出預製機。當其量產時,價格可能也比高端的StratasysEOSHP 3D印表機來得便宜。

大型碳纖維3D列印

CBAM並不是近年來唯一新的碳纖維3D列印技術,數位光處理(DLP)的先驅EnvisionTEC,在RAPID 2016推出大型3D印表機SLCOM 1,其工作原理是基於該公司申請專利中的選擇性積層複合物件製造(SLCOM)技術。

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- 3D印表機SLCOM 1能夠3D列印大型複合零件

SLCOM使用整卷預浸過熱塑料(例如PEEK、聚醚酮酮、聚碳酸酯尼龍6、尼龍11或尼龍12)的編織強化材料(包括碳纖維、玻璃纖維及卡維拉),並在列印室中以加熱滾筒將其中的熱塑料熔解。同時,噴墨頭會澱積蠟及黏著劑在金屬上,接著附有超音波放射器的碳刃會將含蠟的區域切除。

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- EnvisionTEC新的SLCOM平台上以3D列印而得的2個複合材料

SLCOM 1能夠3D列印尺寸大至610 mm x 762 mm x 610 mm且重量高達500磅(226.8 kg)的物件,因此該機器的價格並不便宜,要價大約1百萬美金,主要瞄準航空、汽車及國防工業,以解決與建造複合零件有關的一些關鍵挑戰,例如手工置放複合材料的限制、處理預浸物的挑戰等。

研究

碳纖維的3D列印仍在發展的初期階段,如果Impossible ObjectsEnvisionTEC有任何指標意義的話,3D列印科技也許正朝新領域發展。目前一些大學及政府實驗室正從事相關研究,說不準那天就變為以碳纖維強化進行3D列印的新方法。

其中對此議題極有興趣的一個實驗室是美國能源部的Oak Ridge National Laboratory (ORNL),其早已協助開發出一項碳纖維3D列印法,並且未來會有更多。該實驗室實際有42,000平方呎設施投注在碳纖維的製造,包括390呎長的加工線,每年可以製造25噸碳纖維。

2014ORNL和機器製造商Cincinnati Inc結盟,並且群眾外包給汽車製造商Local Motors,將現有的Cincinnati設備改造成適合3D列印者,最後產出大面積疊加製造 (BAAM) 機,其建造體積可達2.1 m x 4.0 m x 0.9 mBAAM使用料斗將原料錠送至壓出機,並以驚人的速率40 /小時進行3D列印。

這項技術經證明極適合用於3D列印Local Motors的汽車底盤,包括即將推出的第一台可上路的3D列印車系列LM3D Swim,以及3D列印自主公共運輸載具Olli。該公司第一台3D列印汽車Strati僅包含5%碳纖維及95%ABS,其碳纖維含量很低;ORNL第二台3D列印汽車Shelby Cobra,其碳纖維含量達20%,並且加工精細到很難看出它是經過3D列印。

ORNL目前進行的研究來看,其可能會提高適合3D列印的碳纖維強化的量。ORNL正和德州新興公司Cosine Additive合作開發中面積疊加製造系統,類似BAAM的較小版本。該實驗室也將和Impossible Objects合作,用3D列印來製造碳纖維複合零件用的工具。

石墨烯3D列印

碳纖維的3D列印也許很快就可以上路,有些人已經將目光投向碳纖維的近親,石墨烯。石墨烯的厚度是單一層碳原子,其強度比鋼大100倍,質輕且具有極佳的導電性及導熱性。

目前任何人都可以利用Graphene 3D Lab的石墨烯-PLA線材進行3D列印。但是許多研究成果已經展現以較高純度石墨烯進行3D列印的能力,包括Imperial College LondonLawrence Livermore National Laboratory (LLNL)的研究團隊。

石墨烯3D列印的困難處在於無法以噴墨頭澱積此種親油性神奇材料。Imperial College London以結合響應式聚合物的氧化石墨烯進行3D列印,以壓出膏狀材料,而LLNL則是將氧化石墨烯3D列印至矽膠中。

當此技術商業化的時候,它可用於建造高導電性電子組件,以及飛機的保護塗層等。另外,Imperial College London的研究人員打算用此技術建造機器人的智慧皮膚。

短期內碳纖維會很快的變為3D列印的標準材料,當那一天來臨的時候,碳纖維3D列印技術將會進一步展現傳統技術無法想像的技藝

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