PEEK、碳纤维复合材料和陶瓷纤维复合材料具有与金属相似的耐温性、耐机械冲击性和耐化学性。由这些聚合物和复合材料制成的零件具有很多优异的性能，那么用3D打印的高性能聚合物材料和复合材料部件代替传统制造的金属部件可行吗？

1、替代传统制造的金属部件可行吗？

Werco Manufacturing是俄克拉何马州Broken Arrow的一家航空航天和国防制造商，也是一家正在探索这个问题的公司。2020年，该公司在其制造能力中增加了两台Roboze Argo 500 3D打印机，其中还包括钣金制造、焊接、数控加工和零件精加工。该公司的大部分业务（约70%）来自军方，其余业务则来自于商业航空公司。

Werco 不仅为航空航天和国防制造最终用途零件，还专门制造用于飞机训练的“教练机”。Werco首席运营官说：“我们不是在建造整个飞行模拟器，主要是维修教练机和部分任务教练机。我们能制作驾驶舱内所有部件的'教练机’。这些教练机可能像飞机机身一样，非常庞大和复杂，或者像几个组装零件一样简单。”

客户首先告诉 Werco最终产品的要求，包括它需要低保真、中保真还是高保真度，然后制造车间根据这些要求生产教练机。

高保真的教练机需要尽可能在性能、外观等方面接近实际飞机，它们通常使用回收的飞机零件制成。但是，能够回收的飞机零件越来越难。

3D打印很适合替换回收的零件，因为这项工作体积小，而且是一次性的不需要批量化生产。不再需要进行回收、改造、制造等环节，大大提高了制造效率。“在第一天，我们就可以开始工程流程并制作实际零件。”相关人员说。

随着回收的飞机部件越来越难获得，Werco增加了两台Roboze Argo 500 3D打印机，从头开始制造这些部件。这些打印机设计用于使用PEEK和碳PEEK等高性能材料，使车间能够生产与金属部件功能类似的非金属部件。

该公司还没有准备好投资金属3D打印系统，但它需要一种方法来生产与金属相似的部件。

相关人员指出，教练机的功能性部件会经历大量的磨损，传统聚合物在这类应用中不够耐用，但高性能聚合物（如 PEEK）和复合材料（如碳 PEEK）却足够耐用。

高性能聚合物材料不仅能够应用在这种生活领域中，还可以应用在飞机零件上。Roboze 打印机的最大亮点就是能够使用这些高性能材料进行零件制造，可以说Roboze Argo 500为使用高性能材料而生，它具有可以加热功的打印室和打印板，以及长丝干燥和预热系统，确保用户可以准确一致地打印高性能聚合物和复合材料。

2、采用3D打印碳纤维复合材料替代金属用于汽车制造

近期，外媒消息称几家研究所合作，开发了一种增材制造新工艺，可生产高品质复合材料结构件。制造使用高性能碳纤维复合材料替代金属，用于汽车、航空航天和相关工业领域。

该公司使用的设备，能够以较低的成本批量生产碳纤维增强聚合物（CFRP）零件。并且零件具有较高的纤维体积（60%）和较低的孔隙率（<1%）。

计划负责人指出：“目前，轻量化和可持续性变得越来越重要。作为一家创新型公司，我们需要探索通过数字技术来开发未来生产新技术。借助设备具有成本竞争力的工艺，我们可以有效减少零件重量和生产成本。”

相关人员说：“我们将找到并开发合适的应用程序，使复合材料公司可以更轻松地设计复合材料零件。”

应用的软件使用集成的FEA工具来快速定义针对每个工况优化的复合材料结构设计。它还允许零件在打印之前进行结构验证，从而减少迭代过程并简化了开发过程。用结构复合材料代替金属来创造新的市场机会。复合材料方面的经验与在生产方面的专业技术相结合，将能够使用CFRP的增材制造进行批量生产。

3、正逐渐走向量产化

在基础3D打印热塑性材料加入纤维，以碳纤维为例，目前有两种碳纤维打印方法：短切碳纤维填充热塑性塑料和连续碳纤维增强材料。其中，切碎的碳纤维填充热塑性塑料是通过标准熔融沉积（FDM）或SLS打印机进行打印的，其主要组成材料是热塑性塑料（PLA，ABS或尼龙）与细小的短切碳纤维。

对于短碳纤维增强高分子，理论上纤维长度为0.2至0.4 mm，目前FDM和SLS打印的纤维长度在5至10μm。短碳纤维的加入，可以明显提高部件的力学强度，尤其是拉伸和弯曲强度及模量；同时也提高了部件的尺寸稳定性、以及表面光洁度和精度。但是，一些短纤维增强纤维通过使材料过度饱和来提高强度。这不仅损害了零件的整体质量，而且还降低了表面质量和零件精度。

连续碳纤维制造是一种独特的打印工艺，其将连续的碳纤维束铺设到标准FDM热塑性基材中。连续碳纤维才是真正的增强复合材料强度的关键。利用3D打印复合材料部件替代传统的金属部件，其优势在于可以在重量的一小部分上实现类似的强度，所以从效益上来讲，这是一种经济有效的解决方案。

高性能连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术是以连续纤维增强热塑性高分子材料，实现高性能复合材料零件直接3D打印，采用连续纤维与热塑性高分子材料为原材料，利用同步复合浸渍－熔融沉积的3D打印工艺实现复合材料制备与成形的一体化制造。使用这种方法的打印机在打印时，通过FFF挤出的热塑性塑料内的第二个打印喷嘴铺设连续的高强度纤维（例如碳纤维，玻璃纤维或凯夫拉）。从而使得增强纤维形成印刷零件的“主干”，产生坚硬、坚固和耐用的效果。

目前市场上已开发出多款连续纤维增强复合材料3D打印机，并建立了3D打印复合材料体系（碳纤维、芳纶纤维增强聚乳酸、尼龙、聚酰亚胺等）。所制备的碳纤维增强PA复合材料纤维体积含量达到42%时，抗弯强度达到560MPa，抗弯模量达到62GPa，是传统PLA零件的9倍左右。

目前3D打印机的类型和打印技术也开发出很多种，除了熔融沉积（FDＭ）工艺，也称为FFF（熔融线材制造）之外，还有其他类型。其中包括：CFF（连续线材制造）；ADAM（原子扩散增材制造）；SLS/SLM（选择性激光烧结/选择性激光熔化）；DLP（直接光处理）；SLA（光固化立体造型）和粘结剂喷射等。

当今，增材制造领域已经呈爆发式发展，传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而增材制造技术则可以以更快、更灵活以及更低成本的办法进行生产。而且，随着技术的发展，3D打印正逐渐走向量产化。

文章来源： 南极熊，汽车材料网，中关村在线