超越PEEK,3D打印的碳纤维增强尼龙有怎样的性能和应用潜力 

由 3D打印技术参考 发布于 2021-04-20 10:32 

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编者按:本文来自微信公众号“3D打印技术参考”(ID:AMReference),3D打印资源库经授权发布。
尼龙是强度很高的聚合物3D打印材料,而如果将其与碳纤维复合,则可以综合二者的优越性。尼龙碳纤的3D打印件具有很好的机械性能,强度与刚性比未增强的尼龙高很多,耐磨性、高温蠕变性和热稳定性都得到显著提高。此外,碳纤维增强尼龙在3D打印中阻尼性优良,与玻纤增强相比具有更好的性能。这样的高性能材料不仅可以用于汽车领域,还可以在时尚和奢侈品行业大放异彩(注:本文内容主要涉及短切碳纤维复合尼龙材料) 。
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尼龙+碳纤的优势——用聚合物代替金属

在设计工业应用工具时,传统技术使用铝制或者替代性的金属合金材料,这是因为金属件的表现更加优异并符合该类工具的要求。在许多情况下,热塑性塑料可以达到该类工具的强度要求,但是无法满足执行测试任务时的刚性要求。
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INTAMSYS 3D打印的碳纤维增强尼龙夹具

而这正是复合材料发挥作用的地方。向基础聚合物中添加增强材料可以极大地改变原材料的性能,从而使塑料件替代金属件成为现实。目前常用的FDM增强材料有碳纤维和玻璃纤维,可用来增强ABS、尼龙(PA)、聚丙烯(PP)、聚醚醚酮(PEEK)等材料。

碳纤维增强尼龙是金属的理想替代品,由于结合了尼龙的轻质和碳纤维的机械强度和热性能,碳纤维复合尼龙材料的强度与刚度显著提高,其机械强度甚至超过了3D打印的PEEK和PEKK,在汽车工业中从车辆固定架和仪表等内外部组件到发动机壳体均可以替代金属部件。众所周知,汽车碳纤维由于其强大的热和机械性能,被广泛用于汽车制造,作为金属零件的替代品,碳纤维增强尼龙在汽车工业中具有广泛的应用前景,能够实现减轻重量与设计优化的可能性,同时具有环保和经济优势。

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INTAMSYS 3D打印的材料性能

制造业在不断调整以满足新的需求。定制化、按需生产和小批量生产等需求都在不断催生有别于传统制造方法的替代性方案。增材制造技术可能永远无法完全取代数控机床加工或铸造,但高性能FDM打印机能够以高性价比的方式满足这些需求。

碳纤维填充的尼龙材料相比纯尼龙具有更高的性能,是FDM材料组合中最强的热塑性材料之一,它不仅可以用于汽车制造行业, 其特殊的性能可以满足其他行业的制造需求。

碳纤维增强尼龙解决奢侈品行业的制造难题

Promotion SpA是一家在奢侈品珠宝以及手表行业中具有非常高知名度的公司,其材料研发科学家Federica Tiso表示,他们会把控整个过程,从原型设计、原型测试、生产制造、品控再到物流,为客户提供完整的解决方案。

该公司在多年前已经开始广泛应用3D打印技术用于缩短开发时间,并确保每条表链的质量。2014年,该公司引入了第一台基于SLM技术的金属3D打印机,并采用青铜和不锈钢来制作原型和工具,之后又购买了可以打印纯金的金属3D打印机;2019年,Promotion引入一台可打印液体树脂的DLP打印机;除此之外,该公司还购入了INTAMSYS的高端FDM 3D打印机。
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INTAMSYS FUNMAT HT FFF 打印机

在手表设计验证过程中,通过3D打印制造的碳纤维增强尼龙夹具解决了一系列原型设计的问题。尼龙碳纤的机械强度和轻量化特点给这家公司留下了深刻印象。
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INTAMSYS FUNMAT HT制造软件

在进行手表链条衔接的过程中需要进行表面焊接,该过程离不开夹具,而使用传统的3D打印树脂夹具则遇到了一些问题。为了保护表链不受夹具本身损坏,同时还要避免它们在加工过程中移动,需要使用一种软材料。该夹具的整体尺寸为115x16.75x10mm,齿宽约为0.8毫米,Promotion SpA在采用3D打印的树脂夹具时发现,因为受到光降解的影响,夹具的强度很弱,当施加太多的力时,树脂夹具很容易断裂。
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尼龙碳纤3D打印的手表链条装配夹具

Promotion SpA不得不寻找其他解决方案,最终在工程师的建议下,采用INTAMSYS的FUNMAT HT FFF打印机和碳纤维增强尼龙来制造夹具。Federica Tiso表示,“我们之前从来没有使用过这样的材料,但它的高强度质量比给我们留下了深刻印象。3D打印的尼龙碳纤夹具需要固定侧螺母,但是它的强度和精度能够满足使用要求,即便是夹具已经超负荷了,也不会在中途翘曲。”

INTAMSYS的 3D 打印机通过实际证明了对于Promotion的价值,尤其是证明了使用高性能材料打印的夹具可以替代金属,他们还在不断挖掘应用,包括使用尼龙碳纤材料打造轻质耐磨的机械手末端夹具等。而前面我们提到该公司购买了多种类型的3D打印机,从这个案例中我们可以看到,不同的工艺和材料,适用于不同的制造环节,相互之间难以替代。

END

纤维增强复合材料以其优异的力学性能已被广泛应用于各工业领域,但由于传统制造工艺的限制,复合材料依然无法应用于一些具有复杂构型的结构。3D打印技术的快速发展无疑为实现复杂几何形状的复合材料制造提供了契机,从而进一步拓展了复合材料的应用范围。

当然,3D打印纤维增强复合材料的形式有多种,除了本文提到的短切纤维复合,另外还有长纤增强复合;在制造工艺方面不仅有熔融挤出,还包括激光烧结。这两种形式和工艺所能达到的材料性能也有区别,所带来的制造成本和适用领域也大不相同。

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