什麼是複合材料?
熱塑性塑料是流行的 3D 列印材料，因為它們在加熱時具有穩定的化學性質。它們可以很容易地熔化，逐層擠出，然後堆疊形成模型。然而，熱塑性塑料的熔點通常較低，強度或硬度不足以製造需要更高強度的物品。複合材料已應用於 3D 列印領域，以生產機械強度更高的零件。與傳統的熱塑性塑料（如 ABS 或 PLA）相比，複合材料更堅固、更堅硬、更耐熱、更耐用，有效擴展了 3D 列印的應用範圍。
複合材料通常由兩種或多種材料混合製成，例如聚合物、非金屬(non-metallic)或金屬材料。當這些材料混合時，它們保留了它們的材料特性並呈現出材料以前沒有的新特性。3D列印中最常用的複合材料是纖維強化複合材料，即碳纖維、克維拉、玻璃纖維等。圖1比較了複合材料與其他材料的力學性能。
圖1 複合材料與其他材料的性能對比。
纖維強化複合材料由基體矩陣(matrix)和強化纖維組成（如圖2所示）。基體矩陣是複合材料的核心，強化材料可以顯著提高材料的性能。它可以是纖維、顆粒或分散的填料。但纖維本身像意大利麵條一樣脆，容易折斷，因此通常將它們包裹或編織在基體材料中，形成一種新材料，同時表現出基體和強化材料的特性。在 3D 列印的背景下，纖維強化複合材料可以採用兩種不同的形式：短切纖維和連續纖維。
圖2 纖維強化複合材料由熱塑性基體和強化纖維組成。
短切纖維是將纖維切成長度小於 1 mm的碎片，然後混合到傳統的熱塑性塑料中以形成填充的塑料顆粒。這些顆粒進一步混合併擠出成細絲，可以應用於 FDM 3D 列印機。通常，尼龍或ABS用作短切纖維的基材。
連續纖維採用另一種不同的材料混合方式，在3D列印過程中同時進行。列印機通常有兩個列印噴嘴，擠出熱塑性塑料作為基體材料，塗有固化劑的長纖維通過另一個輔助噴嘴加熱擠出。長纖維與熱塑性基體融合，直接列印模型。此過程稱為連續纖維製造 (CFF)。
CFF 是將長纖維包裹在熱塑性或樹脂材料中並均勻分佈在 3D 列印模型的每一層上，類似於夾心餅乾。
圖 3 連續纖維的結構。
連續纖維的優缺點
連續纖維在拉伸或彎曲時可以沿整個長度吸收和分佈應力。纖維等強化材料包裹在熱塑性基體中，使整條3D線材能夠承受更高的負載並吸收更大的衝擊。3D線材具有更高的機械性能，具有與鋁相似的強度，並具有出色的強度和抗衝擊性。用複合材料列印的模型比用鋁和其他金屬製成的模型輕得多。
連續纖維優點:
- 夠承受更高的負載並吸收更大的衝擊
- 具有更高的機械性能
- 具有與鋁相似的強度
- 出色的強度和抗衝擊性
- 鋁和其他金屬製成的模型輕得多
圖 3 顯示了碳纖維和玻璃纖維與鋼相比的物理性能。
圖4 碳纖維、玻璃纖維和鋼的物理性能對比。
在列印模型時，您可以在模型的特定區域（如模型的尖端和底部）逐層放置連續纖維，從而強化模型在該區域的性能。這是連續 3D 列印複合材料相對於短切纖維材料的主要優勢之一。您還可以根據需要選擇不同的熱塑性基體材料（如尼龍、ABS 或 PLA）。它將從各個方面實現模型的不同材料特性，例如更好的表面光潔度和更高的列印精度。
然而，連續纖維也有一些缺點
- 3D線材的強度不能垂直強化。
- 連續纖維製造（CFF）的過程採用“三明治式”融合方式，影響模型垂直方向層間的結合力。
- 模型的小特徵不能被連續的纖維覆蓋，使得該區域的強度低於其他區域，這意味著模型的整體強度分佈不均勻。
- 由於基體纖維是用熱塑性塑料包裹的，它的一些特性會在表面之下。
例如，強化碳纖維長絲被熱塑性或熱固性樹脂包裹，因此用戶無法利用碳纖維獨特的導電性。纏繞的熱塑性塑料的耐磨性低於碳纖維。最後，連續纖維製造 (CFF) 需要多個噴嘴和長絲線軸，大大增加了設備和材料的成本。
短切纖維的優缺點
短切纖維通常是將短纖維磨碎或短切成直徑5-10 micron、長度50-250微米的短纖維，與其他熱塑性材料混合，加工成混合均勻的複合纖維束。不同的供應商將具有不同比重的強化纖維混合到他們的塑料中以生產具有不同強度的長絲。例如，強化碳纖維佔總重量的5-35%。由於短切纖維是通過強化纖維和其他熱塑性材料的均勻混合而產生的，因此它們更均勻且具有更穩定的特性。例如，可以穩定地提高短切纖維的強度、剛性、耐久性和耐熱性。圖 4 顯示了近距離拍攝的強化碳纖維。
圖 5 用於 3D 列印的短切碳纖維特寫。
由於強化纖維與其他熱塑性材料均勻混合，其強度和剛度會提高。用這種強化纖維3D列印線材的整體模型將變得更堅固。將強化纖維與低性能材料混合可以提高3D列印線材的整體機械性能，增加模型的抗應力能力。
例如，碳纖維和熱塑性塑料的混合物可以增加模型的熱穩定性。由於碳纖維具有較低的熱膨脹系數，因此可以有效減少列印過程中的翹曲。碳纖維還可以幫助列印出來的模型抵抗高溫環境，防止模型變形。
短切纖維其他優點
- 短切纖維更耐磨：具有優化後耐磨性，因為它是基體材料和強化材料的均勻混合物。
- 短切纖維保留了多種材料的特性：例如，碳纖維可以保證需要導電性的模型的整體導電性。
- 降低了摩擦系數：碳纖維具有高耐磨性，因此外部磨損的部分變成了石墨，保護了摩擦面，降低了摩擦系數。
- 保證模型的整體特性：短切纖維列印時，模型的細節也可以被短切纖維均勻覆蓋，保證模型的整體特性。
- 可以在任何 FDM 列印機上列印：列印短切纖維不需要特殊的 3D 列印機。
- 碳纖維3D線材通常只含有 5-35% 的碳纖維：如果碳纖維含量過高，線材會變得粗糙，並且模型的表面光潔度會很粗糙。使用含有過多碳的細絲會增加列印過程中出現卡紙和擠出機部件磨損的風險。
Raise3D 為碳纖維列印創造新選擇
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現在您已經了解了複合材料的基礎知識，您也了解了3D列印中常用的短切纖維和連續纖維的優點和注意事項。列印模型時，您可以根據需要選擇相應的耗材和列印方式。不僅可以獲得更強的機械性能更高的模型，還可以擴展對複合材料的理解，以便在以後的列印過程中選擇更合適的材料。
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