降低连续纤维 3D 打印材料的成本

DLR 复合结构和自适应系统研究所（德国布伦瑞克）是轻量化结构领域的领先研究机构，在四个战略领域追求新技术：从设计到认证、数字化和工业 4.0、回收和增材复合结构。 连续波 今年早些时候，该研究所的 EmpowerAX 创新实验室报道了加速、加强和扩大添加剂挤压向 3D 打印复合材料行业的转移。还在完成一系列研发项目，包括模拟添加剂挤出、改性热塑性塑料以提高 3D 打印的性能以及生产具有连续纤维的打印机灯丝。

最后一个项目名为 ENDLOSEFFEKT（“无限效果”），旨在提高无端纤维增强材料的生产能力、质量和成本。 “预浸渍连续纤维印刷长丝的可用性有限，”布伦瑞克 DLR 复合结构和自适应系统研究所增材制造负责人 Maik Titze 解释说。 “这种有限的可用性和可用材料的种类以及材料价格构成了应用的障碍。我们想设计一个浸渍喷嘴，以便用于生产标准的、用于 FDM [熔融沉积建模] 的短切纤维填充长丝的相同设备也可以生产连续的纤维增强长丝。该设备适用于制造 3D 打印机线材的公司，其目标是降低使用连续纤维增强材料进行 3D 打印的成本。”

目前，大多数连续纤维增强 3D 打印机长丝都是由销售连续纤维打印机的同一家公司制造的，每种材料都针对一种特定的打印系统进行开发和优化。这些材料往往有点贵。

“我们的想法是从任何尺寸的干纤维开始，例如高达 50K 的 1K 碳纤维丝束，然后通过挤出使用商品热塑性颗粒或颗粒的直接熔融浸渍，因为它非常具有成本效益，”Titze 说。 “您不需要生产聚合物粉末或箔片，也不需要使用昂贵的压机或数百个辊子来实现纤维的浸渍。因此，处理变得更加容易和负担得起。”

DLR 设计了一个使用超声波的系统，而不是压力机、皮带和滚筒。 “我们使用 19.5 kHz 的超声波发生器，将振动引导到围绕纤维的熔融热塑性塑料中，”Titze 解释说。 “这个矩阵和强化 在 每秒 19,500 次，这导致非常好的浸渍。”

工艺路径从纤维铺展和加热开始（图 1）。然后将这种增强材料送入密封室，将熔化的聚合物注入其中。当纤维通过这个腔室时，熔化的树脂覆盖在纤维上。 “然后纤维和聚合物进入超声波室，它的长度为 80 毫米，非常小而紧凑，”Titze 指出。 “超声波发生器发出的振动纤维增强聚合物细丝，然后以您想要的任何形状离开喷嘴。例如，喷嘴可以是圆形或扁平的。”

图 2 中的显微照片显示了以 50% 纤维体积浸渍聚乳酸 (PLA)、聚酰胺 (PA) 和聚醚酰亚胺 (PEI) 的 12K 碳纤维。 Titze 说，纤维体积可通过模头喷嘴的设计进行调节 (30-50%)。 “我们相信高达 60% 是可能的。总的来说，这个过程需要做更多的工作，但我们已经证明它可以取得良好的初步结果和 线速度为 5 毫米/秒。”他承认这很慢，也不经济，但新的设备设计定于 6 月进行测试，目标已经达到 3 米/分钟。

“通常，速度会接近 10 米/分钟，”Titze 说。 “然而，该技术还旨在允许灵活生产新材料组合，因此稍微降低速度可能有助于使较小的生产运行负担得起。

Titze 说，DLR 开发的工艺对一种材料没有选择性——可以使用任何纤维或聚合物。 “随着工艺不断混合和需要新材料，这很重要。 3D 打印的材料必须变得更具竞争力，否则连续纤维 3D 打印将不会有很好的前景。通过使用热塑性颗粒或颗粒，我们可以显着降低成本，并且设备安装空间很小，因此即使是小公司也可以实施。”

DLR 复合结构和自适应系统研究所于 2019 年 10 月启动了该项目，并将于 2022 年 1 月完成。“我们的目标是进一步小型化该技术并将其集成到打印头中，”Titze 说。 “因此，这将是与印刷一致的直接浸渍。两种方法 将转入工业。”他解释说，作为政府非营利组织，DLR 不会“出售”任何东西，因此 专有权。 “我们的目标是让打印头供应商参与进来，以全面降低材料价格并扩大连续纤维增材制造的工业应用。”