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復(fù)合材料領(lǐng)域，對于制造業(yè)來說最重要的一個領(lǐng)域就是碳纖維增強材料，可以提供與金屬相當(dāng)?shù)膹姸龋址浅］p，碳纖維在需要考慮重量與強度比的行業(yè)包括航空航天、汽車領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。
國外在碳纖維復(fù)合材料領(lǐng)域的設(shè)備玩家包括桌面級的Markforged，Orbital Composites，工業(yè)級的Arevo Labs、Impossible Objects、EnvisionTec以及AFP技術(shù)的Electroimpact等。本期，3D科學(xué)谷精選了國內(nèi)的兩大典型案例，感受一下吹進國內(nèi)的碳纖維風(fēng)是什么樣的？
成都新柯力化工科技
用于3D打印發(fā)動機缸蓋的碳纖維復(fù)合材料
汽車發(fā)動機對材料的強度要求很高，以往都是采用鑄鐵，但其重量大、散熱慢，為了減重和加強散熱，使用鋁合金的發(fā)動機才應(yīng)運而生。鋁合金是既提升汽車性能又是滿足輕量化材料，近些年來，鋁合金在汽車上的用量不斷增加，用作發(fā)動機、熱交換器、渦輪增壓器、變速箱體、車輪以及車聲等部件。
汽車發(fā)動機汽缸蓋作為汽車關(guān)鍵的配件，其工作過程是否可靠，直接關(guān)系到汽車正常運轉(zhuǎn)的性能。氣缸內(nèi)的燃油氣體工作時瞬加溫度可達(dá)到1100℃，而且面臨著熱沖壓、化學(xué)腐蝕、高壓等多個因素的惡劣環(huán)境。因此對氣缸蓋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、微裂紋、耐高溫性、耐腐蝕性要求極高。
圖片：國外制造的碳纖維復(fù)合鋁材料的發(fā)動機部件
針對現(xiàn)有鋁合金通過3D打印成型汽車發(fā)動機缸蓋時易形成微裂紋，導(dǎo)致強度、耐溫性降低這一缺陷，成都新柯力化工科技提出一種用于3D打印發(fā)動機缸蓋的復(fù)合材料。該復(fù)合材料含有碳纖維前驅(qū)體和裂紋修復(fù)劑，碳纖維前驅(qū)體具有良好的3D打印粘接成型特性，在燒結(jié)時碳纖維前驅(qū)體在550-600℃轉(zhuǎn)化為碳纖維，從而提高鋁合金的強度和耐高溫性，進一步通過裂紋修復(fù)劑，可細(xì)化鋁合金的熔融的晶粒，使鋁合金的晶粒細(xì)小均勻,防止微裂紋產(chǎn)生，從而消除因3D打印成型造成空隙、微裂紋的缺陷。通過用該材料3D打印汽車發(fā)動機缸蓋，可在300℃的高溫下長時間工作不變形。
北京化工大學(xué)
可用于航空航天領(lǐng)域的碳纖維增強復(fù)合材料3D打印
北京化工大學(xué)的技術(shù)是將碳纖維增強復(fù)合材料帶卷曲在放卷裝置上，由送料裝置驅(qū)動使碳纖維增強復(fù)合材料帶進入打印供料頭，打印供料頭將碳纖維增強復(fù)合材料帶鋪設(shè)在工作臺上，激光發(fā)生器的激光源一分為二成為激光頭一和激光頭二對碳纖維增強復(fù)合材料帶的側(cè)面和底面進行加熱，工作臺具有打印成型所需的三維運動。
卷曲在放卷裝置上的碳纖維增強復(fù)合材料帶由送料裝置驅(qū)動喂料進入打印機供料頭，工作臺在程序驅(qū)帶動下進行X-Y-Z三維的運 動，在將碳纖維增強復(fù)合材料鋪設(shè)在工作臺的同時，激光發(fā)生器的激光頭一和激光頭二對帶狀碳纖維增強復(fù)合材料帶的側(cè)面和底面進行加熱，將碳纖維增強復(fù)合材料帶與相鄰的帶狀碳纖維增強復(fù)合材料粘 接在一起，該過程重復(fù)直到完整制品的打印為止。
打印過程基于微積分原理將制品模型切成若干條帶狀單元，利用打印機噴頭精確定位鋪設(shè)碳纖維增強復(fù)合材料，同時利用激光加熱熔接相鄰帶狀碳纖維增強復(fù)合材料直到成型整個制品，這種方法特別適用于加工大型制品，能提高復(fù)雜制品的生產(chǎn)效率和降低加工成本，且打印出來的實體部件強度和剛度都能大大的提高。
另外，在3D打印的過程中，原料不需要完全熔化，具有節(jié)省能源、工藝簡單、成本更低和打印速度快的特點，產(chǎn)品適用性強，尤其適合大型制品打印成型，產(chǎn)品能夠應(yīng)用于航天領(lǐng)域與高端汽車等領(lǐng)域。
北京化工大學(xué)的碳纖維增強復(fù)合材料的打印技術(shù)讓3D科學(xué)谷聯(lián)想到美國麻省理工的創(chuàng)業(yè)團隊所創(chuàng)立的Impossible Objects的CBAM技術(shù)，CBAM技術(shù)的加工過程中需要向碳纖維層噴射粘合劑，另外后期的熱處理去除粘合劑的過程也必不可少。
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