纤维增强塑料 (FRP) 是由纤维增强的聚合物基体制成的复合材料。FRP 中物理特性的独特组合可以显着改进 3D 打印零件和原型。 可以提高强度和耐用性等机械性能，同时保持更轻的重量并缩短生产时间。 这种独特的特性组合使 FRP 非常适合基础设施和建筑、航空航天、汽车和体育用品等应用。
什么是 3D 打印？
3D 打印，也称为增材制造，允许从数字设计文件生产三维实体。软件用于创建数字模型。然后数字模型被数字化“切片”成许多层。然后将数字化切片发送到 3D 打印机。 最常见的 3D 打印方法是熔丝制造，也称为熔融沉积建模或 FDM，其中将建模材料的灯丝送入挤出喷嘴并沉积在建模平台上。FDM 采用自上而下的 3D 打印方法。大桶聚合采用自下而上的方法——将可光聚合的树脂储存在大桶中并暴露在紫外线光源下。随着新层添加到打印模型的底部，固化的 3D 结构逐渐升高。像立体光刻这样的缸聚合技术允许更高的精度和更好的打印质量，因为激光光源的小尺寸允许更精细的细节和更高的分辨率。另一种常用技术是选择性激光烧结 (SLS)。在 SLS 中，粉末形式的打印材料散布在构建平台上。然后 UV 光源选择性地烧结粉末以形成一层模型。一层烧结完成后，构建平台向下移动，涂上另一层粉末，重复该过程，直到完成三维物体。
为什么使用 3D 打印？
自 20 世纪 80 年代中期以来，增材制造已被用于快速原型制作。设计工程师很快采用该技术作为提高产品开发效率的方法。如果他们愿意，内部工程师可以对设计进行数十次迭代，并且设计每次都会变得更好。真正的成本效益体现在采用该技术后自然而然地节省了加工成本。随着技术多年来的成熟，3D 打印已经超越了快速原型制作，进入了包括汽车和航空航天在内的许多领域的商品商业生产。瑞典汽车制造商Koenigsegg在其 One:1 模型中使用 3D 打印技术生产涡轮增压器和排气系统的金属和塑料部件。增材制造还用于生产踏板、脚踏板和后视镜外壳等功能。减少浪费和减轻重量的潜力使 3D 打印成为传统制造方法的有吸引力的替代方案。出于类似的原因，空中客车公司选择了 3D 打印。空客 A350XWB 上的 1,000 多个零件都是使用这种技术生产的。空中客车公司使用了 Stratasys 制造的打印机，这表明空中客车公司使用 3D 打印的规模空前。同样，通用电气和空军在为 F-16 喷气式战斗机提供动力的 GE F110 发动机部件的开发和生产过程中采用了 3D 打印技术。
3D 打印中的热固性树脂
复合材料中的聚合物基体是热塑性塑料或热固性塑料。热塑性树脂用于许多 3D 打印应用。然而，与热塑性塑料相比，热固性基体具有更高的强度和耐热性，并且通常具有更高的疲劳强度和精加工质量。这些特性使热固性树脂成为结构和电气应用、土木工程、电器以及商业和住宅建筑的有吸引力的候选材料。在 FDM 等基于挤出的增材制造方法中使用热固性材料对印刷材料沉积和固化过程中控制粘度提出了挑战。这对于保持打印对象的三维几何形状至关重要。由于材料沉积后需要快速固化，因此3D 打印应用中使用的大多数热固性 FRP 材料的注射/固化温度低于 100°C，固化时间短。Arkema 的 Sartomer 部门最近将用于UV 固化增材制造的液态树脂 N3xtDimension® 系列推向市场。N3xtDimension® 树脂旨在弥合传统热固性树脂技术与新兴 3D 打印技术之间的差距。该产品系列适用于桶式聚合、选择性激光烧结和长丝挤出应用。在开发设备和材料方面正在取得重大进展，以应对这些挑战，并朝着在基于挤出的 3D 打印中更广泛地使用纤维增强热固性复合材料迈进。
使用 FRP 进行 3D 打印
FRP 复合材料已经在商用和军用飞机中使用。汽车行业长期以来一直使用 FRP 代替钢、铝和其他金属，因为它具有理想的强度重量比。汽车行业的拉挤 FRP 应用包括各种横梁、前端支撑系统、底盘导轨和传输隧道。因此，将 FRP 的强度和重量优势与在研发和生产过程中使用 3D 打印可以实现的提高效率和制造成本的潜力结合起来似乎很自然。特拉华大学和上海东华大学最近合作开发了一种 3D 打印机，包括一个毛细管驱动的打印头和一个自动机械臂，可以打印热固性玻璃钢。基于环氧树脂和连续碳纤维的 3D 打印 FRP 具有 95% 的固化度，包含高纤维体积分数 (58.6%)，并表现出优异的物理性能，包括 810 MPa 的机械强度和 108 GPa 的模量。最近的一篇文献综述表明，热固性玻璃钢 3D 打印技术的研究和开发已经进入高潮。目前的大部分研究都集中在基于环氧树脂和酚醛树脂与短连续碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维相结合的复合材料上。实验数据表明，通过多种技术制造的 3D 打印热固性 FRP 复合材料可实现与铝和钢合金相当的机械性能，同时保持显着更轻的重量。
玻璃钢 3D 打印的未来
增材制造技术为具有新的和增强的机械性能、轻质成分和更大灵活性的材料打开了大门，并具有降低制造成本和快速生产的潜力。3D 打印的 FRP 零件和产品的未来是光明的，大量的创新即将出现。
