Markforged（美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）生产的Onyx是一种具有非常高的机械性能和高价值3D打印碳纤维增强聚酰胺6.6材料，其价格高达250欧元/1000 cm³。如何实现这种高价值碳纤维复合材料的回收？
2024年11月10日，Composite Structures网络首发德国英戈尔施塔特技术大学和奥格斯堡大学的最新研究成果-《Investigation on the recycling potential of additively manufactured carbon fiber reinforced PA 6.6》，探索出热塑性碳纤维复合材料在高价值领域应用的新策略！
CFRP的回收与再利用策略
预计到2025年，碳纤维增强聚合物（CFRP）生产废料将达到20,000至30,000吨，特别是在航空航天、汽车和风能行业。CFRP废料可以分为三种类型：（1）生产残留物或边角料中的干纤维，（2）预浸料生产残留物或边角料中的预浸渍纤维，以及（3）有缺陷或“生命周期结束”的硬化树脂的CFRP部件。
CFRP废料再利用策略主要有两种：
（1）通过分离纤维和基体，可以回收复合材料的增强纤维（纤维回收），并使用新型基体材料通过熔融沉积成型等方法形成新部件；（2）机械方法可用于回收使用寿命结束的CFRP部件，粉碎的材料可以用作新CFRP部件中的增强材料或填料；
而3D 打印或将是第三种前景再利用的方法。
论文摘要与方案策略
碳纤维增强聚合物（CFRP）已广泛应用于汽车、航空航天和可再生能源等行业，对这类材料的需求正在稳步增长。随着需求的增加，无论是来自生产过程还是组件生命周期结束时的CFRP废物量也在同步增加，可持续解决方案如处理、再利用或回收纤维增强材料变得越来越重要。
本文介绍了一种回收短切碳纤维增强聚酰胺6.6（CF/PA 6.6）的可能性。回收过程包括材料的粉碎、干燥和长丝挤出，以使材料能够通过增材制造过程重新利用。本研究的焦点在于回收长丝本身的机械性能以及使用回收长丝打印的3D样品的机械性能。研究了短切碳纤维增强聚酰胺6.6回收过程中不同阶段的性能，包括初级CF/PA 6.6以及由一次或两次回收材料制成的样品。通过拉伸、弯曲和冲击测试评估了力学性能。实验结果表明，初生材料和回收材料在拉伸和弯曲载荷下的性能没有显著差异。回收样品的冲击强度略有下降。
实验部分
Markforged的Mark Two 3D打印机制成的样品
3devo粉碎机的组件
初始材料的回收来源。a) 3D打印的样品，b) 废料线，和c) 支撑结构
配置所有必要组件的丝材挤出机
研究内容
• 不同的回收周期对材料的机械性能有何影响？（基于弯曲和夏比冲击测试的调查）
• 各种丝材在打印样品前是否表现出不同的机械行为？（基于拉伸测试的调查）
拉伸测试
在标准气候下，一次回收的长丝达到3.64 GPa，与干燥条件下相同的4.22 GPa相比。在标准气候条件下，原始长丝达到的最高拉伸模量为4.05 GPa。最低值为由清理线制成的长丝（2.52 GPa）。二次回收的长丝和清理线长丝的拉伸模量比原始长丝低约1.5 GPa。与第一次回收相比，第二次回收后拉伸模量下降了28.9%。
干燥条件下支撑结构的长丝拉伸模量为4.8 GPa，比其他四种长丝高出约15到20%。
所有长丝在干燥和标准条件下的弹性模量的条形图。各个条形表示每种长丝的平均值及其适当的标准偏差
在第一次循环后所有四种不同回收过程的抗拉强度平均下降了约6.6%：
在标准气候（顶部）和干燥条件（底部）下特定丝样品的抗拉应力与抗拉应变
在干燥条件下，二次回收丝具有较高的抗拉强度和较低的断裂伸长率：
在标准气候和干燥条件下，纤维的断裂伸长率
试样的弯曲测试
对于由原生条纹制成的试样，可以确定其弯曲模量为1.67 GPa，标准偏差为0.04 GPa；一次回收试样的弯曲模量可以确定为2.02 GPa，标准偏差为0.16 GPa；两次回收条纹的试样组平均弯曲模量为1.68 GPa，标准偏差为0.39 GPa；支撑结构条纹的试样，确定其弯曲模量为1.88 GPa，标准偏差为0.26 GPa。
不同研究材料条件的弯曲弹性模量
不同研究材料条件的弯曲强度
特定试样的弯曲应力与弯曲应变
最大弯曲应力时的伸长率（以百分比表示）
经过第二次回收循环后，弯曲模量与原始试样相当（1.67 GPa和1.68 GPa）。从第一次到第二次循环，值的降低是由于纤维在剪切力作用下的粉碎机和挤出机加工过程中断裂。
查贝式冲击试验（Charpy impact testing ）
第一次回收后材料的冲击强度的提高是显著的。一次回收的丝材比幼龄丝材的冲击强度高出40%。所有一次回收的丝材（包括清洗线和支撑结构）平均提高了54.3%。Evens等[26]通过注塑成型回收的纤维增强丝材，仅在第十次回收周期后冲击强度提高了50%。第一次回收后仅增加了2%，第二次回收后增加了5%.
种不同试件的查贝式冲击强度
总结和结论
Markforged的PA 6.6丝材类型Onyx在幼龄、一次和两次回收状态下进行了测试，还有粉碎和挤出的清洗线和支撑结构。除了丝材测试外，还通过弯曲和夏比冲击测试对3D打印件进行了力学测试。丝材展示了可回收的潜力，并允许一次回收而不会降低甚至提高力学性能。因此，重用3D打印过程中的清洗线和支撑结构，并增加加工中的材料产量是一个有前景的方法。对于第二次回收周期，识别到了力学性能的降低，偏差范围扩大，平均性能部分降低，如弯曲强度。这表明在使用多次回收材料进行3D打印之前，需要考虑应用和所需组件质量。所展示的PA6.6/CF材料回收过程的应用可能是在较大按需3D打印公司中，废料（支撑结构、清洗线等）可以重建成丝材并重新用于新部件——前提是力学性能适合未来使用。对于这种应用，回收的成本效率是一个有趣的话题，也是工业化这些方法的关键。未来的研究将基于可用材料数量和来源，对回收流进行成本效益分析，本研究的力学性能循环时间数据为其奠定了基础。
文章来源：实由实话
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