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2026年全球3D打印复合材料市场超5亿美元

导读: 3D打印作为一种最纯粹的数字制造方式,每年的市场规模和发展速度都在成倍数地增长,它涉及到计算机、机械,其中最重要的影响因素是先进的材料科学,尤其是复合材料对增材制造自动化影响最大。

3D打印作为一种最纯粹的数字制造方式,每年的市场规模和发展速度都在成倍数地增长,它涉及到计算机、机械,其中最重要的影响因素是先进的材料科学,尤其是复合材料对增材制造自动化影响最大。

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SmarTech最新出版的《3D打印复合材料市场—2017:机遇分析和十年预测》对3D打印复合材料做了深入和精确的评估,据称,到2026年全球用于3D打印的复合材料收入将超过5亿美元,未来十年内复合材料将成为3D打印最主要的市场机遇。

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▲目前可用于3D打印的复合材料图表

3D打印被业内视为一种将生产流程简化和自动化的方法,它保全了纤维复合材料在重量优化和强度方面的优势,对聚合物3D打印行业而言,3D打印的复合材料部件代表了一种更直接指向工业终端部件生产的途径,包括用于轻量化飞机和汽车的大型复杂几何部件。

目前,能使用复合材料的3D打印技术主要有2种,分别是熔融沉积(FDM)和粉床熔融(PBF),而后者主要指选择性激光烧结(SLS)。

挤出成型的复合材料

复合材料挤出成型制造方法可以分成几种不同的应用领域,有一些仍处于研究阶段,最实际的FDM应用是定制牺牲工具,这就意味着在制造复杂的复合部件时你可以快速3D打印出标准的复合预浸材料工具,牺牲工具将零部件制造带到了一个新的高度——制造高度复杂的复合部件时而无需再组装,只需将3D打印的牺牲工具溶解在水中即可,由Stratasys公司生产的ST 130材料在热压过程中完全能Hold住复合部件的形状,是目前唯一能够将连续型纤维复合材料的机械性能和3D打印的先进几何形状结合在一起的系统。

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▲当前最有名的复合材料3D打印机 — 美国MarkeForge公司开发的Mark系列

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▲使用碳纤维、玻璃纤维,以及凯夫拉-尼龙3种复合材料3D打印的工具

未来,复合生产将完全实现自动化。MarkForged是美国的一家3D打印设备制造商,它研制出了一种材料挤出技术,能够将连续纤维(碳、玻璃或凯夫拉尔)置于3D打印热聚合物部件(主要是尼龙)的打印层之间,也是目前唯一可以将连续纤维复合材料进行3D打印的商业化技术。

其它厂商和研究机构 — 主要包括米兰理工大学Più实验室,正在研发使用一种六轴机械手臂的技术,在热凝物或光敏树脂的参与下能够挤出连续纤维复合材料。不过这些方法仍然处于探索阶段。

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▲由美国橡树岭国家实验室(ORNL)和辛辛那提公司联合研制的超大型FDM系统BAAM,也可打印复合材料

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▲由美国Local Motors公司制造的全球首辆3D打印汽车,大部分使用的就是复合材料

Strati是Local Motors的第一辆3D打印汽车,这也是为什么这么多3D打印机制造商正在探索3D打印长纤维复合材料(达3mm)的可能性,大部分使用的是ABS或尼龙的热聚合物。

最实际的案例出自美国辛辛那提的BAAM(大尺寸增材制造)平台,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和Local Motors公司使用BAAM和复合ABS-碳纤维颗粒一次性打印了整个家用电动汽车的车身。

碳纤维赋予了热聚合材料更好的机械性能,同时也减少了由于热挤压过程中的温差而出现的翘曲现象。

利用尼龙碳纤维复合颗粒,Stratasys公司也迈出了更远的一步,它开发出了一个八轴机械臂,通过挤压材料构建出大型复杂结构,能够精确地将其放置在一个三维空间中。

这个平台还处于测试阶段,Stratasys的合作伙伴福特和波音等正在做这个工作。另外,其他低成本的材料挤出制造商和线材制造商正在开发和利用长纤维热塑性纤维,使用尼龙碳纤维(达20-30% CF)是当前最受欢迎的方式。

粉床熔融的复合材料

粉床融合(PBF)是另一个短(几百微米)切纤维复合材料可能继续获得广泛应用的领域。PBF技术的市场格局非常不同,入门级SLS系统最低价为20万欧元。虽然近二十年来该市场都由EOS和3D Systems主导,但近年来亦有不少新公司加入,如Prodways和理光。惠普也加入了这个市场,并开发除一种称为MJF(多射流熔融)的PBF技术,比标准SLS快十倍。

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▲使用复合Windform材料和PBF技术3D打印的进气歧管

大多数公司会请大型化学公司开发新型材料,主要集中在玻璃纤维(或玻璃珠)和碳纤维尼龙复合材料。这些领域较为活跃的领头羊有Arkema和BASF,而占据3D打印用复合粉末技术领先地位的就属意大利CRP集团和其Windform系列材料。这些材料主要用于汽车和航空原型,但逐渐也可以用于终端零件生产。

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▲Energica的电动超级摩托车原型中有许多用Windform 3D打印的零件

另一种可用于热聚合物预浸料基质的连续型纤维复合材料的3D打印技术也在开发中。由EnvisionTEC开发的SLCOM 1系统采用的是一种分层技术和预浸料卷制造3D零件。零件分层会先被切割出来,然后高温熔化热聚合物预浸料基质,再放置在适当的位置。整个过程只能适用于X和Y轴,在Z轴上表现不出同样性能,但可以使用高性能热聚合物,如PEEK,保证零件的强度。

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