快速增长的3D打印复合材料市场

快速增长的3D打印复合材料市场

3D打印或增材制造（AM）在复合材料行业仍处于起步阶段，但该技术在大多数行业垂直领域（包括航空航天、国防和汽车行业）拥有巨大的机遇。该技术与现有工艺相比具有多项优势，例如更短的零件周期时间、更高效的零件制造、创建可变几何形状的能力、减少浪费、不需要昂贵的工具，以及与所有可能的材料组合兼容。

 

3D打印目前主要用于开发原型复合零件和复合工具。该技术目前在复合材料零件制造市场中所占的份额还不到0.1%。这为3D打印技术带来了巨大的增长潜力。AM技术的不断进步和AM公司对复合材料的兴趣日益增长将使AM在复合材料零件制造市场的渗透率达到新的高度。

 

在过去的20年中，复合材料行业在自动化制造过程的发展上经历了一次彻底转变。然而，汽车等终端用户行业仍然要求进一步缩短成品零件的整体周期时间。与此同时，他们也在寻找一种在生产过程中减少浪费的工艺。在这里，3D打印通过在更短的时间内减少浪费来制造零件，在满足客户期望方面发挥着至关重要的作用。

 

根据复合材料的类型，市场分为连续纤维和不连续纤维。在预测期间，连续纤维预计仍将是3D打印的极佳复合材料类型。然而，不连续纤维复合材料由于其更高的强度而获得市场青睐。

 

基于增强类型，市场被细分为碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料和其他复合材料。预测期内，预计碳纤维仍将是市场上极大的增强类型。这种纤维类型也可能在同一时期出现最高的增长。与竞争材料相比，碳纤维具有广泛的优势，例如轻质、高强度和刚度，以及出色的抗疲劳和耐腐蚀性。

 

市场根据挤出、粉末床熔合等技术类型进行细分。在预测期间，挤出预计仍将是制造3D打印复合材料部件的主要技术，因为它被认为是耐高温的优秀技术。然而，估计粉末床熔合技术在同一时期内以最高速率增长。

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以3D打印替代金属机器零件

 

近日，荷兰3D营运公司Visual First使用熔融沉积造型（FDM）碳纤维增强聚酰胺（PA12）热塑性塑料取代其客户The Chocolate Factory的金属加工零件。35%短碳纤维由3D打印解决方案供应商Stratasys提供。3D打印机械更换部件显着降低了机器停机时间，确保了公司生产线的连续性。

位于鹿特丹的巧克力工厂有自己独立的包装线，公司的日常生产能力依赖于一个简单而重要的钩形金属部件平稳操作，该部件将包裹好的棒材运送到传送带上。当部件发生故障时会出现停机。通常情况下，这个部件需要每月更换三次。由于每个零件都是手工制作的，所以交货时间可能会超过一个月。

 

Visual First公司的经理Carlvande Rijzen解释说：

 

“包装机械必须保证连续工作，特别是在圣诞节这样的繁忙时期，这一点至关重要。通过Stratasys增材制造，我们可以生产按需定制的替换零件，它们可以像金属机器零件一样有效运行。我们在一周内就能完成3D打印并将生产部件交付给巧克力工厂，这对于确保生产线的连续性至关重要。”

巧克力工厂对FDM尼龙12CF的高刚度重量比评价有佳，新部件具有极高的刚性。

 

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首个3D打印碳纤维复合材料实验室

 

在澳大利亚斯威本科技大学等组织开发3D打印领域的最新技术的同时也意识到协作的重要性。更是在两年前的2016年这所大学与其他三个组织合作在我国山东省建立了联合制造研究中心。

 

现如今作为其数字化制造工艺研究的一部分，它正在与几个新的合作伙伴合作，为复合碳制造建立全球首个工业4.0测试实验室。 

“Swinburne与我们的合作伙伴一起，将领导全球提供数字化制造解决方案，以确保澳大利亚在利润丰厚的中间产品市场的地位。”斯威本制造期货研究所所长 Bronwyn Fox教授表示。

 

工业4.0测试实验室的重点将是3D打印碳纤维复合材料的第一个工业级多层方法，该方法将能够生产用该材料制造的商业零件，从而减少浪费，降低成本并提高生产能力。

 

 

 

Swinburne将用于构建澳大利亚第一个成熟的工业4.0 Testlab材料的独特多层3D打印技术是由奥地利工程公司Fill于1966年成立的一家家族企业开发的。Swinburne副校长（研究部）的Aleksander Subic教授认为，下一代材料，如这些3D打印碳纤维复合材料，是该大学新工业4.0测试实验室及其未来工厂的中心，一个3D可视化和设计工作室，最近由于西门子 在2017年8月获得了1.35亿美元工业数字化拨款而获得数字化。该资助也将用于帮助开发工业4.0测试实验室。

 

根据Fox教授的说法，斯文本还正在与汽车产品设计和部件制造商Mulitmatic合作开展工业4.0测试实验和新的多层3D打印工艺。这两家公司将共同为汽车行业开发一款价格合理的新产品，并增加制造工艺的机会。

 

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俄罗斯ANISOPRINT为英国带来了连续纤维3D打印技术

 

 俄罗斯连续纤维3D打印机和材料制造商Anisoprint已与iMakr合作进入英国市场，iMakr是一家位于伦敦的全球3D打印机，扫描仪和服务经销商。该公司的3D打印技术可处理复合材料，生产出具有最终用途所需强度和性能的结构件，从工业制造到个人应用。

 

Anisoprint成立于2015年，开发了连续纤维3D打印技术，以制造最佳的复合材料。该方法基于复合材料的单向性，也称为各向异性。依赖材料在结构内实现各种性能，例如刚度或强度。这种材料在一维结构中表现最好，因此复合材料的最佳形状是由一维肋条组成的网格或格子。因此，内部力可以在材料中限制在每个肋中的一个方向上，以集中在该方向上的最大复合材料强度和刚度。在自然界中可以发现许多各向异性结构，并且已经在添加制造中产生了生物启发的设计。

 

 

 

尽管经常使用晶格结构来减轻重量，但是创建具有不同肋条交叉点的复合晶格结构是具有挑战性的。因此，Anisoprint开发了复合纤维共挤（CFC）技术。该公司表示，现有技术导致交叉点处材料的厚度增加，从而削弱了结构的实用性。

这包括诸如预浸料的方法，其使用浸渍树脂增强复合材料。此外，共挤出工艺已用于管理纤维体积。这个过程减少了肋条交叉处塑料的比例，保持了相同的厚度和更高的纤维体积。Anisoprint的CFC技术通过在共挤出工艺中使用初步浸渍纤维来结合这些现有工艺。这样可以为复合材料提供极佳形状的高质量材料。最近，CFC已被Schunk Carbon Technology采用，以加速用于高温应用以及汽车和小型电机领域的定制工具的开发。

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不用水泥、钢筋的3D打印人行天桥

 

工程公司Royal haskoningDHV、聚合物公司DSM和复合材料3D打印公司CEAD合作构建了第一个3D打印复合材料人行天桥。总部位于荷兰代尔夫特的CEAD计划将大规模连续纤维3D打印工艺商业化。他们的CFAM主要工艺能够生产尺寸为4×2×1.5米的玻璃纤维/碳纤维增强零件，能够用于搭建桥梁且能组合出任意的宽度或跨度。

 

大型聚合物3D打印机已广泛用于模板模具，让设计人员可以为隧道和其他结构生产大型零件。CEAD和BAAM系统都经过了结构件的试验，但这是第一次3D打印聚合物来组装人行天桥用于实际用途。

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聚合物与连续纤维的结合可以产生轻质但高强度的结构，从而能够构建基础设施。Royal haskoningDHV公司的业务开发经理Maurice Kardas表示：

这种合作将带来对桥梁形式和功能的思考与转变。与钢桥相比，纤维增强塑料桥以其较长的寿命和较低的总成本而更具优势。现在我们将采用新的3D打印技术来大规模生产纤维增强塑料零件。通过在桥上添加传感器，我们可以制作桥梁的数字化替换备件。这些传感器可以帮助预测和优化维护，确保安全并延长桥梁的使用寿命。”

建设桥梁所用的材料是可回收的，而不是混凝土等对环境不友好的材料。3D打印使用坚硬的PBT或PET材料可能更理想、可持续。该团队正面临着将复合材料转变为可回收材料的挑战。这些材料的回收过程尚未开发，但是智能制造服务商已经开始研究基于天然纤维的可回收型复合材料。