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復合材料領域，對于制造業(yè)來說最重要的一個領域就是碳纖維增強材料，可以提供與金屬相當?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、汽車領域都有廣泛的應用前景。
國外在碳纖維復合材料領域的設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技術的Electroimpact等。本期，3D科學谷精選了國內的兩大典型案例，感受一下吹進國內的碳纖維風是什么樣的？
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鍵的配件，其工作過程是否可靠，直接關系到汽車正常運轉的性能。氣缸內的燃油氣體工作時瞬加溫度可達到1100℃，而且面臨著熱沖壓、化學腐蝕、高壓等多個因素的惡劣環(huán)境。因此對氣缸蓋的結構穩(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)動機缸蓋的復合材料。該復合材料含有碳纖維前驅體和裂紋修復劑，碳纖維前驅體具有良好的3D打印粘接成型特性，在燒結時碳纖維前驅體在550-600℃轉化為碳纖維，從而提高鋁合金的強度和耐高溫性，進一步通過裂紋修復劑，可細化鋁合金的熔融的晶粒，使鋁合金的晶粒細小均勻,防止微裂紋產生，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
可用于航空航天領域的碳纖維增強復合材料3D打印
北京化工大學的技術是將碳纖維增強復合材料帶卷曲在放卷裝置上，由送料裝置驅動使碳纖維增強復合材料帶進入打印供料頭，打印供料頭將碳纖維增強復合材料帶鋪設在工作臺上，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合材料帶的側面和底面進行加熱，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合材料帶由送料裝置驅動喂料進入打印機供料頭，工作臺在程序驅帶動下進行X-Y-Z三維的運 動，在將碳纖維增強復合材料鋪設在工作臺的同時，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合材料帶的側面和底面進行加熱，將碳纖維增強復合材料帶與相鄰的帶狀碳纖維增強復合材料粘 接在一起，該過程重復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碳纖維增強復合材料，同時利用激光加熱熔接相鄰帶狀碳纖維增強復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，能提高復雜制品的生產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，產品適用性強，尤其適合大型制品打印成型，產品能夠應用于航天領域與高端汽車等領域。
北京化工大學的碳纖維增強復合材料的打印技術讓3D科學谷聯(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，CBAM技術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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