SmarTech最新出版的《3D打印復合材料市場—2017：機遇分析和十年預測》對3D打印復合材料做了深入和精確的評估，據稱，到2026年全球用于3D打印的復合材料收入將超過5億美元，未來十年內復合材料將成為3D打印最主要的市場機遇。

 

▲目前可用于3D打印的復合材料圖表

 

       3D打印被業內視為一種將生產流程簡化和自動化的方法，它保全了纖維復合材料在重量優化和強度方面的優勢，對聚合物3D打印行業而言，3D打印的復合材料部件代表了一種更直接指向工業終端部件生產的途徑，包括用于輕量化飛機和汽車的大型復雜幾何部件。

 

       目前，能使用復合材料的3D打印技術主要有2種，分別是熔融沉積（FDM）和粉床熔融（PBF），而后者主要指選擇性激光燒結（SLS）。

 

       復合材料擠出成型制造方法可以分成幾種不同的應用領域，有一些仍處于研究階段，最實際的FDM應用是定制犧牲工具，這就意味著在制造復雜的復合部件時你可以快速3D打印出標準的復合預浸材料工具，犧牲工具將零部件制造帶到了一個新的高度——制造高度復雜的復合部件時而無需再組裝，只需將3D打印的犧牲工具溶解在水中即可，由Stratasys公司生產的ST 130材料在熱壓過程中完全能Hold住復合部件的形狀，是目前唯一能夠將連續型纖維復合材料的機械性能和3D打印的先進幾何形狀結合在一起的系統。

 

       未來，復合生產將完全實現自動化。MarkForged是美國的一家3D打印設備制造商，它研制出了一種材料擠出技術，能夠將連續纖維(碳、玻璃或凱夫拉爾)置于3D打印熱聚合物部件(主要是尼龍)的打印層之間，也是目前唯一可以將連續纖維復合材料進行3D打印的商業化技術。

 

       其它廠商和研究機構 — 主要包括米蘭理工大學Più實驗室，正在研發使用一種六軸機械手臂的技術，在熱凝物或光敏樹脂的參與下能夠擠出連續纖維復合材料。不過這些方法仍然處于探索階段。

 

       Strati是Local Motors的第一輛3D打印汽車，這也是為什么這么多3D打印機制造商正在探索3D打印長纖維復合材料（達3mm）的可能性，大部分使用的是ABS或尼龍的熱聚合物。

 

       最實際的案例出自美國辛辛那提的BAAM(大尺寸增材制造)平臺，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和Local Motors公司使用BAAM和復合ABS-碳纖維顆粒一次性打印了整個家用電動汽車的車身。

 

       碳纖維賦予了熱聚合材料更好的機械性能，同時也減少了由于熱擠壓過程中的溫差而出現的翹曲現象。

 

       利用尼龍碳纖維復合顆粒，Stratasys公司也邁出了更遠的一步，它開發出了一個八軸機械臂，通過擠壓材料構建出大型復雜結構，能夠精確地將其放置在一個三維空間中。

 

       這個平臺還處于測試階段，Stratasys的合作伙伴福特和波音等正在做這個工作。另外，其他低成本的材料擠出制造商和線材制造商正在開發和利用長纖維熱塑性纖維，使用尼龍碳纖維（達20-30% CF）是當前最受歡迎的方式。

 

粉床熔融的復合材料

 

       粉床融合（PBF）是另一個短（幾百微米）切纖維復合材料可能繼續獲得廣泛應用的領域。PBF技術的市場格局非常不同，入門級SLS系統最低價為20萬歐元。雖然近二十年來該市場都由EOS和3D Systems主導，但近年來亦有不少新公司加入，如Prodways和理光。惠普也加入了這個市場，并開發除一種稱為MJF（多射流熔融）的PBF技術，比標準SLS快十倍。

 

       大多數公司會請大型化學公司開發新型材料，主要集中在玻璃纖維（或玻璃珠）和碳纖維尼龍復合材料。這些領域較為活躍的領頭羊有Arkema和BASF，而占據3D打印用復合粉末技術領先地位的就屬意大利CRP集團和其Windform系列材料。這些材料主要用于汽車和航空原型，但逐漸也可以用于終端零件生產。

 

       另一種可用于熱聚合物預浸料基質的連續型纖維復合材料的3D打印技術也在開發中。由EnvisionTEC開發的SLCOM 1系統采用的是一種分層技術和預浸料卷制造3D零件。零件分層會先被切割出來，然后高溫熔化熱聚合物預浸料基質，再放置在適當的位置。整個過程只能適用于X和Y軸，在Z軸上表現不出同樣性能，但可以使用高性能熱聚合物，如PEEK，保證零件的強度。