洞悉碳纖維3D打印的最新進(jìn)展

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復(fù)合材料的3D打印已經(jīng)驗(yàn)證其發(fā)展三大趨勢。一是我們將繼續(xù)看到流程和系統(tǒng)的工業(yè)化，硬件與軟件發(fā)展的結(jié)合將更加支持大批量生產(chǎn)。二是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更多的傳感控制，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)過程控制-熱，尺寸和光學(xué)傳感可提高過程公差。三是用于提高3D打印操作效率的新軟件（例如，預(yù)處理工作流程，作業(yè)管理等）更加成熟，從而更深入的用于多材料零件的新設(shè)計(jì)和仿真。

連續(xù)纖維3D打印已經(jīng)成為一種不可小覷的3D打印新勢力，下一步是發(fā)現(xiàn)更多的市場應(yīng)用點(diǎn)，一點(diǎn)帶面，開啟該技術(shù)改變制造格局的新篇章。本期，3D科學(xué)谷與谷友一起洞悉碳纖維3D打印產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用近況及融資進(jìn)展。

空客3D打印碳纖維零件© ARRIS

輕量化的碳纖維

碳纖維3D打印的最新進(jìn)展

I ARRIS

ARRIS 成立于 2017 年，近日ARRIS完成了8850萬美金的C輪融資，迄今為止，ARRIS 已經(jīng)籌集了 1.47 億美元，逼近成為獨(dú)角獸企業(yè)。其中包括來自全球制造領(lǐng)域的戰(zhàn)略投資者的支持，例如 Standard Industries、Chuo Malleable Iron 和一家未公開的便攜式電子公司以及博世。

ARRIS融資© Crunchbase

ARRIS 率先開發(fā)了獲得專利的端到端自動(dòng)化制造技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了先進(jìn)復(fù)合材料、增材制造和大批量制造方法的優(yōu)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)以前在大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品中無法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)自由度。Arris 公司通過其專有的Additive Molding? 制造技術(shù)，將增材制造工藝與模具工藝相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和輕量化復(fù)合零件的批量生產(chǎn)。這種新工藝以與塑料成型產(chǎn)品相同的速度生產(chǎn)高級(jí)碳纖維材料。最新的進(jìn)展是2020 年，ARRIS 擴(kuò)大了其在加利福尼亞州伯克利的研發(fā)設(shè)施，包括一個(gè)專門為客戶和美國生產(chǎn)能力的新產(chǎn)品介紹中心。ARRIS 臺(tái)灣生產(chǎn)工廠于 2020 年破土動(dòng)工，可為需要在海外進(jìn)行產(chǎn)品組裝的主要便攜式電子產(chǎn)品客戶提供服務(wù)。

Arris的工藝還可以用于創(chuàng)建復(fù)雜的無人機(jī)底盤，增塑成型不僅增加了強(qiáng)度并節(jié)省了重量，同時(shí)又將多個(gè)零件合并為一件，還具有能夠嵌入電路的優(yōu)勢。在這種情況下，將天線放入底盤成型件可以提高接收效果。領(lǐng)先的無人機(jī) (UAV) 制造商 Skydio 宣布在其 Skydio X2 無人機(jī)中使用 ARRIS 的碳纖維3D打印部件。ARRIS 的零件使 Skydio 能夠減輕重量，從而提高其高性能無人機(jī)的速度和航程。美國陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部地面車輛系統(tǒng)中心宣布與 ARRIS 建立合作伙伴關(guān)系，以展示通過部件整合、拓?fù)鋬?yōu)化和對(duì)齊的連續(xù)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)顯著減輕車輛重量。

航空航天應(yīng)用是當(dāng)今碳纖維零件的主要市場，因此這是ARRIS產(chǎn)品的自然市場。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，舉例來說通過碳纖維零件替代航空航天鈦支架的情況下，碳纖維部件的重量減輕了78％。ARRIS宣布與全球商用飛機(jī)制造商空中客車Airbus公司開展一項(xiàng)研究項(xiàng)目，重點(diǎn)是生產(chǎn)機(jī)艙支架。該項(xiàng)目旨在通過利用包括復(fù)合材料在內(nèi)的創(chuàng)新制造方法和材料來顯著減少航空排放。用 ARRIS 的連續(xù)纖維復(fù)合材料部件代替金屬支架可以減輕超過 75% 的重量，從而顯著節(jié)省燃料。ARRIS還瞄準(zhǔn)了消費(fèi)電子市場，希望能夠提供諸如智能手機(jī)外殼之類的零件。因?yàn)檫@些部件更薄、更輕，并且通過3D打印能夠?qū)⒁恍╇娋€直接封裝到外殼中，從而可以減少最終手機(jī)的厚度。通過3D打印，零件被削減到最低限度，消費(fèi)電子公司重視輕薄性而不是強(qiáng)度，因此最終產(chǎn)品的剛度可與將要替換的塑料或鋁制零件相媲美即可。

I AREVO

增材制造復(fù)合材料公司AREVO已經(jīng)完成了據(jù)報(bào)道當(dāng)前世界上最大的連續(xù)碳纖維復(fù)合材料增材制造工廠的建設(shè)。位于越南的該設(shè)施配備了該公司70臺(tái)集裝箱大小的 Aqua 2 3D 打印機(jī)，幫助 AREVO 3D 打印自行車、電動(dòng)自行車、電動(dòng)滑板車和其他消費(fèi)產(chǎn)品的連續(xù)復(fù)合材料部件。AREVO以其連續(xù)碳纖維3D打印技術(shù)而聞名，于2014年在硅谷成立。該公司最初發(fā)布了一系列聲稱比鈦強(qiáng) 5 倍的 FFF/FDM 復(fù)合材料，此后開發(fā)了先進(jìn)的 3D 打印軟件和系統(tǒng)組合。2015 年，AREVO 基于其有限元分析刀具路徑優(yōu)化程序創(chuàng)建了可擴(kuò)展的基于機(jī)器人的增材制造 (RAM) 平臺(tái)，以優(yōu)化 3D 打印零件的強(qiáng)度和外觀。

為了提高用于熔融擠出方式制造的3D打印材料的性能，Arevo Labs將碳納米管或其他納米材料作為母料，實(shí)施配混，熔融混合，旋轉(zhuǎn)（干法、濕法和噴射），溶液處理/或原位聚合技術(shù)進(jìn)行加工，從而帶來均勻且光滑的表面光潔度。AREVO的連續(xù)碳纖維技術(shù)受到80多項(xiàng)專利的保護(hù)。過去，該技術(shù)已被用于加利福尼亞制造商 Franco Bicycles 的 3D 打印自行車車架，以縮短交貨時(shí)間，并用于加利福尼亞初創(chuàng)公司 Superstrata 即將推出的電動(dòng)自行車，以消除對(duì)膠合或焊接的需要。

3D打印碳纖維結(jié)構(gòu)自行車© AREVO

今年早些時(shí)候，AREVO 與屢獲殊榮的創(chuàng)意工作室 Branch Creative 合作設(shè)計(jì)和打印了“蘇格蘭人”電動(dòng)滑板車，它采用統(tǒng)一的碳纖維復(fù)合材料車架、車把和把立。

3D打印滑板車© AREVO

資本方面AREVO 多年來獲得了眾多投資者的支持，在 2016 年籌集了 700 萬美元以擴(kuò)大其業(yè)務(wù)并開始開發(fā)用于生產(chǎn)應(yīng)用的堅(jiān)固、輕質(zhì)部件。后來，在 2018 年，該公司完成了 1250 萬美元的 B 輪融資，以支持其正在進(jìn)行的研發(fā)工作。該公司在推出 Aqua 2 3D 打印機(jī)的同時(shí)又完成了 2500 萬美元的融資，用于進(jìn)一步開發(fā)其碳纖維 3D 打印技術(shù)。

AREVO 的最新一輪的2500萬美金融資使其籌集的資金總額達(dá)到 8500 萬美元。

汽車領(lǐng)域的碳纖維3D打印應(yīng)用展望

據(jù)了解，汽車領(lǐng)域?qū)τ谔祭w維復(fù)合材料3D打印最早的機(jī)會(huì)可能會(huì)落在諸如擾流板、方向盤或門把手之類的零件上，再逐漸走向取代大型結(jié)構(gòu)部件的發(fā)展方向。

打印技術(shù)與材料的配合或?qū)⑼苿?dòng)碳纖維材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是新能源汽車的應(yīng)用，因?yàn)檩p量化是新能源汽車的一大需求。

正在擴(kuò)大的碳纖維在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用© 3D科學(xué)谷白皮書

根據(jù)工信部委托汽車工程學(xué)會(huì)編寫的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》指出汽車輕量化近期優(yōu)先發(fā)展高強(qiáng)度鋼與鋁合金，中長期發(fā)展鎂合金和碳纖維復(fù)合材料的技術(shù)路線。

根據(jù)中銀國際，自問世以來，碳纖維材料便以卓越的性能吸引了無數(shù)車企的注意力，車企紛紛研究如何利用碳纖維進(jìn)行車輛減重，但大多集中在小批量研發(fā)試驗(yàn)。成功應(yīng)用碳纖維的車企例如寶馬將碳纖維用于大批量生產(chǎn)，寶馬將碳纖維用于汽車制造的主要成功之處有三點(diǎn)：成本、工藝和模式。

碳纖維性能卓越，但因?yàn)閮r(jià)格過高，在汽車制造領(lǐng)域難以獲得大規(guī)模應(yīng)用，但是寶馬成功的突破了碳纖維價(jià)格高的局限，主要從幾個(gè)方面突破。由于使用了更少的模具和更簡單的組裝工序，使用碳纖維的汽車在制造成本上比使用鋼鐵可以減小約80%。這樣通過制造成本上的節(jié)約來抵消碳纖維材料價(jià)格的高昂。3D打印進(jìn)一步帶來了無需模具、結(jié)構(gòu)一體化、拓?fù)鋬?yōu)化的輕量化結(jié)構(gòu)，這或?qū)⑹沟锰祭w維在汽車制造領(lǐng)域的優(yōu)勢更近一步。

此外，考慮到碳纖維帶來的減重收益，還可以在新能源汽車制造的初期減少對(duì)電池?cái)?shù)量的需求，通過電池成本的減少，進(jìn)一步抵消碳纖維原材料高昂價(jià)格的局限?？紤]到一輛汽車的行駛壽命，碳纖維帶來的減重效果還可以進(jìn)一步減少對(duì)燃油和電能的消耗，從車輛的全生命周期角度考慮，碳纖維將更具競爭力，也將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

國內(nèi)，根據(jù)工信部，2021年，中國新能源汽車銷售完成352.1萬輛，同比增長1.6倍，連續(xù)7年位居全球第一，而在工信部關(guān)于新能源汽車和智能汽車2025發(fā)展目標(biāo)中，整車輕量化也是重要的發(fā)展方向之一。