3D 打印复合材料：入门指南

增材制造可用于多种材料，从 PEEK 等高性能热塑性塑料到钛等航空航天金属。

然而，有时工程师想要将两种不同材料的特性结合起来，最好的方法之一就是使用复合材料 .复合材料用于 FDM 和 SLS 等工艺（以及新技术），通常包含基础热塑性材料 和一个加强元素 比如碳纤维。两种元素的比例可以变化，增强材料的整合方法也可以变化。

随着 3D 打印技术的不断改进，3D 打印复合材料的使用正变得越来越普遍。而且它们的用途也不限于工业：而一些复合材料（例如 SLS 粉末）主要针对工业用户 ，其他（如短切纤维增强热塑性塑料）可用于消费者和专业人士的中等价位 FDM 3D 打印机 .

本文是 3D 打印复合材料的介绍性指南。它着眼于一些流行的复合材料和复合打印技术，解释了短切纤维和连续纤维复合材料的区别，并考虑了3D打印复合材料的主要应用和优势。

什么是复合3D打印材料？

简单地说，复合材料是由两种或多种不同材料组成的材料 .复合材料 3D 打印专家 Markforged 将复合材料定义为“由一种以上的材料组成，这些材料在组合时具有与原始材料不同的特性”。

3D 打印之外的复合材料示例包括胶合板（不同的木饰面层）和钢筋混凝土（钢筋加固的混凝土）。

在 3D 打印中，复合材料通常是热塑性塑料的组合 基础材料（基质）和增强材料 元素如碳纤维、玻璃纤维、石墨烯、 或凯夫拉尔 . （请注意，PLA + ABS 等两种热塑性塑料的混合物通常称为blend ，而不是复合材料。）基础材料几乎可以是任何东西，但工业用户通常使用优质热塑性塑料，即使没有增强元件也具有良好的材料特性；此类塑料包括PC、尼龙和PEEK。

复合材料可以采用不同的材料形式，最常见的是混合用于选择性激光烧结 (SLS) 的粉末 和混合用于熔融沉积建模 (FDM) 的细丝 .不太常见但特别令人兴奋的是由基础材料与连续纤维组合而成的复合材料 使用新颖的工艺，可以在打印时将其穿线或编织成热塑性基质。这种工艺通常需要两个喷嘴：一个用于沉积热塑性塑料，另一个用于分配连续纤维。最后，还有数量有限的用于还原光聚合的复合树脂 立体光刻 (SLA) 等 3D 打印工艺；通过该技术，热固性树脂基材可以围绕增强纤维骨架进行固化。

流行的复合3D打印材料

无论是粉末、细丝还是其他形式，复合 3D 打印材料通常因其高强度而开发 , 高刚度 , 良好的尺寸稳定性 ，以及良好的强度重量比 比率。纤维非常轻，它们可以显着提高热塑性塑料的强度而不增加其质量。 3D打印工程复合材料甚至可以作为金属的替代品。

FDM 3D 打印复合材料的基础热塑性塑料包括 PLA 等商品聚合物 和ABS 在规模更便宜的一端，使用高性能聚合物，如 PEEK 在溢价端。 尼龙 是复合 SLS 粉末的主要材料（因为它通常是激光烧结的主要材料），但是像 PAEK 这样的高性能材料 也可以用。

在查看整体复合材料（包括 3D 打印之外）时，玻璃纤维 是最流行的增强材料——它也广泛存在于 3D 打印复合材料中。然而，在增材制造中，碳纤维 比玻璃更广泛使用，因为复合 3D 打印用于许多关键应用，其中碳的卓越强度值得增加费用。其他增强材料包括凯夫拉尔和石墨烯。

基材

• 聚酰胺/尼龙 (PA)：
• 丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS)
• 聚乳酸 (PLA)
• 聚碳酸酯 (PC)
• 聚醚酰亚胺 (PE)
• 聚苯硫醚 (PPS)
• 聚醚醚酮 (PEEK)
• 聚芳醚酮 (PAEK)

增援

• 碳纤维
• 玻璃纤维
• 玻璃珠
• 凯夫拉尔
• 石墨烯
• 其他金属

市场上的品牌复合材料示例包括 EOS 的 PA 640-GSL ，一种用玻璃珠和碳纤维增强的 PA 12 尼龙 SLS 粉末； 3DXTech 的 CarbonX PETG+CF , 一种用短切碳纤维增强的 PETG FDM 长丝；和 Markforged 的​​ Onyx ，一种填充有碳纤维的尼龙基材，也可以使用 Markforged 专有的复合印刷技术用连续纤维增强。

复合材料的 3D 打印工艺

除了少数例外，复合材料 3D 打印的关键 3D 打印技术是熔融沉积成型 (FDM)、选择性激光烧结 (SLS) 和连续纤维打印新技术。

FDM

FDM 是塑料零件使用最广泛的 3D 打印工艺，许多中等价位的机器能够加工复合材料，如碳纤维增强 ABS。 FDM 的复合材料由热塑性基材和（通常）短切的不连续纤维组成。这些纤维可以增强和硬化打印部件，但大量使用也会使灯丝更难打印，并对表面质量产生负面影响。

SLS

SLS 是另一种适用于生产复合材料零件的塑料 3D 打印工艺。由于 SLS 系统的成本和复杂性，该技术主要由工业用户使用。材料是热塑性粉末（通常是尼龙）和增强元素（如短切纤维或玻璃珠）的混合物。请注意，复合 SLS 粉末不是通用的； EOS 等硬件制造商生产专用于复合打印的机器。

新型连续纤维工艺

增材制造最前沿的领域之一是打印具有连续纤维的复合材料——下一节将解释这一概念。 Markforged、Desktop Metal、Orbital Composites、9T Labs 和 Anisoprint 等公司都开发了复合增材制造硬件，可以在打印过程中将连续纤维集成到热塑性部件中，通常是使用单独的喷嘴将连续纤维送入每个单独的层。

短切纤维与连续纤维复合材料

具有增强纤维的复合 3D 打印材料可分为两大类：短切纤维复合材料和连续纤维复合材料。因此，虽然两种不同的复合材料可能包含完全相同的组成材料，但它们的性能可能会非常不同，具体取决于它们是短切纤维还是连续纤维。

• 短切纤维 是细小的增强材料，如碳或凯夫拉尔。通常测量小于一毫米 在长度上，这些股线可以很容易地混合到热塑性基体（PLA、ABS 等）中，从而提高普通塑料的强度和刚度。短切纤维非常有用，因为它们用途广泛 ：它们可以与多种热塑性塑料混合，制成的复合材料可以在普通的 3D 打印机上打印。然而，当短切纤维混入基材中时，每根单独的纤维呈现出随机取向 ，这使得该材料的强度低于具有连续纤维的材料。
• 连续纤维 ，另一方面，更长，单向 与短切纤维相比，当整合到热塑性基体中时，增强材料的线束提供了非常出色的强度。这是因为绞线可以在其整个长度上吸收和分配载荷，因此较长的连续长度具有更大的承载能力 而不是一根细碎的股线。仅在过去五年左右，连续纤维复合材料 3D 打印才成为主流，多家制造商开发了自己的技术。不用说，连续纤维复合打印比短切纤维复合打印更昂贵，因为需要专用硬件。

复合材料的应用

复合材料在许多行业有多种用途，应用跨越原型 , 最终用途部件 , 和工具 .

使用增材制造和 3D 打印复合材料的行业包括航空航天、汽车、电子、消费品、医疗、 和工业 .这些行业大多使用复合材料 3D 打印来制造小尺寸的高刚度零件（尽管一些大幅面的挤压硬件能够打印复合材料）。

小规模或大规模的工具是复合 3D 打印特别相关的应用，因为增强材料是模具和臂端工具的理想选择。

在特定技术方面，连续纤维 3D 打印提供了最大的潜在应用范围（与 FDM 或 SLS 相比），尽管它仍处于起步阶段，不如短切纤维 3D 打印技术广泛使用。