超高纤维含量3D打印复合材料：60%纤维体积率、<1%孔隙率

超高纤维含量3D打印复合材料：60%纤维体积率、 1%孔隙率

“我们的核心目标是为工业生产结构性连续纤维复合材料，”9T Labs（瑞士苏黎世）联合创始人Giovanni Cavolina表示。“若与制造CFRP（碳纤维增强聚合物）零件的人交谈，大多不信连续纤维3D打印能实现超低孔隙或层间良好的层间剪切强度（ILSS）。但9T Labs开发出专利后处理工艺消除孔隙。我们现在能3D打印连续纤维复合材料，层间粘结优异、孔隙含量<1%，可与传统制造复合材料媲美。”

起源于ETH Zurich

9T Labs始于瑞士联邦理工学院苏黎世校区（ETH Zurich）复合材料与自适应结构实验室（CMAS）的研究项目。Cavolina与联合创始人Martin Eichenhofer、Chester Houwink开发出复合打印头，“装在机械臂上制造超轻夹层结构晶格芯，面向航空航天应用，”Cavolina解释。

CarbonKit是限量发布产品，让现成FDM打印机用上连续碳纤维，但尚非生产具成本竞争力工业CFRP结构件的正确方案。来源 | 9T Labs。

CarbonKit

因此，9T Labs于2018年初成立，旨在验证3D打印单体CFRP层压板满足潜在客户需求的概念。“下一步是CarbonKit，”Cavolina说。该产品见于CW2019年3月文章“连续纤维3D打印迈向量产”。CarbonKit将Ultimaker或Prusa 3D打印机转化为可打印连续碳纤维的系统。“结合我司打印头、耗材和软件，可按工况铺放连续纤维，碳纤维体积含量达50%——而非CFRP 3D打印常规的30%。”

Cavolina解释虽兴趣大，但“仅供货25客户。保持限量因意识到单步FDM（熔融沉积建模）工艺无法生产具成本竞争力的工业航空航天结构终端部件。”

但通过CarbonKit，9T Labs建立宝贵客户关系。“虽这些部件CarbonKit无法生产，但我们了解企业期望和需求，”他解释。“原位固化在FDM理论可行，但需更复杂、成本高昂的设备。故开发两步法：打印后固化。”

Red Series实现>50%纤维体积率、<1%孔隙的3D打印CFRP结构，成本可与现有复合制造方法竞争。来源 | 9T Labs。

Red Series，两步法

这是9T Labs现状。“我们商业化Red Series，含两单元：带专利打印头的经典FDM打印单元和相邻用于后处理的熔融单元，”Cavolina解释。“打印时不完全原位固化，而是打印后二次固化。本质上打印预成件，置入熔融单元，高温高压后固化，实现>50%纤维体积含量、<1%孔隙。两步法以可负担成本达航空航天级质量。”

Red Series目前用热塑性材料。“我们打印碳纤维/PEI、PEKK、PA（尼龙），也有PP经验，”Cavolina说。Red Series是开放材料体系吗？“唯一具成本竞争力的方式是用现有材料配合新制造工艺，”他解释。“若从头开发自有材料，就无法进入系列制造。供应链安全可靠性要求，系列制造商不会依赖小公司供料。所以让客户用现有材料供应，确保材料在我们系统工作。”他解释9T Labs测试材料确保原料满足要求、确定最佳打印参数。

软件开放吗？“打印软件结合结构仿真软件，”Cavolina说。“工程师自由铺放纤维，但如何确定位置正确？软件给予设计自由并交叉验证结构仿真。另一方向：在结构仿真定义纤维取向铺层，再转为打印路径。我们用现成、验证过的合作伙伴FEA在后台运行。也可直接在CAD设计零件上传文件，决定碳纤维区域和纯聚合物区域。”

这款非航空航天应用的CFRP支架和摇臂实为满足航空航天层压板要求，含40+层——每层不同纤维取向以利用各向异性优化结构，此前其他方法无法实现。来源 | 9T Labs。

应用领域

9T Labs瞄准航空航天（目前内饰）、生物医疗、工业自动化（如包装机械）、休闲/奢侈品（如赛车、运动鞋、眼镜）。Cavolina称后者“需结构复合材料但要求不如航空航天严苛。”他引用上文摇臂：“这是非航空结构支架，用我们技术按拓扑优化按载荷铺放碳纤维减重。可减少碳纤维用量降本。其他方法无法实现高分辨率逐纤维取向优化。”