碳纤维增强复合材料的3D打印

来源:Zhenyu Bo* (Ph.D Candidate at Northwestern University) and Jia Choi*, PhD, Product Manager

*Materials Science Product Management Team, MilliporeSigma, Milwaukee, WI.


 碳纤维如何用于3D打印?

3D打印是一种增材制造,可用于快速制造具有高度可定制几何形状的部件,最典型的是使用逐层制造工艺。3D打印正在迅速吸引科研界和制造业界的兴趣1,2,因为它有可能实现低成本、高度灵活、中低规模的制造。可以熔化并再次形成预期形状的热塑性材料目前是3D打印中最常用的材料之一。虽然这些材料已广泛用于原型的生产,但它们通常缺乏用于工业应用所需的功能部件或承载部件所需的热稳定性、化学稳定性和机械稳定性2

纤维增强塑料(FRP)最近因其在3D打印中的潜在用途而受到关注,这种材料可以提高制造部件的机械强度和弹性3-4。这些复合材料可以匹配许多金属的强度,但重量更轻。特别是,向塑料树脂中添加碳纤维正成为一种广泛使用的策略,以增强3D打印部件的机械性能。

碳纤维增强塑料的优点4

  • 高拉伸强度
  • 耐化学性
  • 刚度
  • 耐温性
  • 低热膨胀


 扩大碳纤维增强塑料的应用范围

许多公司已经将3D打印机和可印刷材料商业化,致力于为各行各业的客户生产碳纤维增强复合材料零件5。目前,由碳纤维增强复合材料制成的3D打印部件已用于赛车、无人机、高性能运动设备的设计和构造,以及许多其他需要轻质但强力材料以提高产品性能的应用5,6


 碳纤维增强塑料的3D打印工艺:FDM与 SLS

熔融沉积成型(FDM)和选择性激光烧结(SLS)是两种3D打印工艺,广泛用于使用碳纤维增强材料作为原料来制造功能部件。FDM是一种使用加热长丝材料逐层挤出来制造塑料零件的工艺(图1a7。而SLS是由激光烧结粉末材料构建连续层来制造零件的工艺(图1b8。根据成品零件的加工条件和设计要求,可能需要热处理等加工后处理工艺7

 

工艺示意图 FDM and SLS

图1. a)FDM工艺示意图7,b)SLS工艺示意图8


 制备用于3D打印的碳纤维增强复合材料所需的材料

取决于成品的设计要求以及研究目的,可以选择不同类型的塑料树脂和碳纤维来制备适于3D打印的复合材料。

表1. 用于制备碳纤维增强复合材料的典型材料

 

典型的热塑性树脂 增强材料
丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS) 碳纤维
聚碳酸酯(PC) 碳纳米管
聚丙交酯(PLA) 石墨烯
聚酰胺(PA)  

 

成品的机械强度极大地受所选塑料树脂类型以及碳纤维长度和负载的影响7,8。例如,研究人员已报道使用碳纤维(150 μm / 100 μm)作为增强材料来提高ABS热塑性塑料的机械强度。所得复合材料含有5 wt%碳纤维,显示杨氏模量和拉伸强度均有 > 20%的增加7

碳纳米管和石墨烯等碳纳米材料具有独特的物理和化学性质,可以提高塑料材料的拉伸强度和热稳定性9。表2和表3列出了碳纳米管和石墨烯材料的信息。
 

表2碳纳米纤维列表

 

产品编号 描述 生产方法
719781 石墨化碳纳米纤维(无铁),由锥形片组成,D × L 100 nm × 20-200 μm 浮动催化剂气相生长法生产
719803 石墨化碳纳米纤维,片(锥形),> 98%碳基,D × L 100 nm × 20-200 μm 浮动催化剂气相生长法生产
719811 热解剥离碳纳米纤维,片(锥形),> 98%碳基,D × L 100 nm × 20-200 μm 浮动催化剂气相生长法生产

 

表3. 碳纳米管石墨烯的选择

 

产品编号 描述
805033 碳纳米管,单壁碳 ≥85%,>70%(碳为SWNT),直径为 1.3-2.3 nm
775533 碳纳米管,单壁 >95%,直径为 0.6-1.1 nm
755710 碳纳米管,单壁 >70%(TGA)
755117 碳纳米管,薄短多壁,<5%金属氧化物(TGA)
755133 碳纳米管,薄多壁,<5%金属氧化物(TGA)
799084 石墨烯纳米片粉末
806625 石墨烯纳米片粉末,聚羧酸酯官能化,亲水
806633 石墨烯纳米片粉末,烃类官能化,疏水
777684 还原氧化石墨烯
763713 氧化石墨烯片


 制备碳纤维增强复合材料的方法

为了使复合材料适用于FDM工艺,要将碳纤维和塑料树脂颗粒在搅拌机/混合器中混合,制成碳纤维和塑料树脂的混合物。接下来,将混合物进料到挤出机中,以生产用于FDM工艺的长丝(图2a7。如要制备SLS工艺的材料,首先将碳纤维和塑料树脂材料溶解在有机溶剂中以形成均匀的混合物。然后除去该溶剂以沉淀出由碳纤维和塑料组成的粉末。在将粉末用于SLS工艺之前,还需将粉末进一步粉碎和研磨(图2b8。 

 

a)FDM工艺材料制备示意图,b)SLS工艺材料制备示意图。

图2. a)FDM工艺材料制备示意图,b)SLS工艺材料制备示意图。
 

表4提供了关于碳纤维和碳纳米管增强材料的信息,这些材料可直接用于3D打印机来生产零件(表3)。

表4. 即用型3D打印碳纤维和碳纳米管增强材料的列表

 

产品编号 描述 直径
3DXCFR003 碳纤维增强ABS 3D打印长丝 1.75 mm
3DXCFR001 碳纤维增强ABS 3D打印长丝 2.85 mm
3DXCFR002 碳纤维增强PLA 3D打印长丝 1.75 mm
3DXCFR004 碳纤维增强PLA 3D打印长丝 2.85 mm
3DXCNT001 碳纳米管增强ABS 3D打印长丝 1.75 mm
3DXCNT002 碳纳米管增强ABS 3D打印长丝 2.85 mm
3DXCNT003 碳纳米管增强聚对苯二甲酸乙二醇共聚物3D打印长丝 1.75 mm
3DXCNT004 碳纳米管增强聚对苯二甲酸乙二醇共聚物3D打印长丝 2.85 mm

 


 参考文献

  1. Kumar, S.; Kruth, J.-P. Mater. Design. 2010, 31 (2), 850-856.
  2. Tekinalp, H. L.; Kunc, V.; Velez-Garcia, G. M.; Duty, C. E.; Love, L. J.; Naskar, A. K.; Blue, C. A.; Ozcan, S. Compos. Sci. Technol. 2014,  Mater. Design.105, 144-150.
  3. Nikzad, M.; Masood, S.; Sbarski, I. 2011, 32 (6), 3448-3456.
  4. Mallick, P. K. Fiber-reinforced composites: materials, manufacturing, and design; CRC press: London, 2007.
  5. Markforged Web: https://markforged.com/application/end-use-parts/ (accessed August 2016).
  6. Arevo Labs Web: http://arevolabs.com/additive-manufacturing-services/ (accessed August 2016).
  7. Ning, F.; Cong, W.; Qiu, J.; Wei, J.; Wang, S. Composites Part B. 2015, 80, 369-378.
  8. Yi, X.; Tan, Z.J.; Yu, W.J.; Li, J.; Li, B.J.; Huang, B.Y.; Liao, J. Carbon. 2016, 96, 603-607.
  9. Dul, S.; Fambri, L.; & Pegoretti, A., Composites Part A. 201685, 181-191.