盡管碳纖維3D打印已經(jīng)問世十多年，但它最近幾年才快速興起。目前,市面上現(xiàn)有的許多3D打印機(jī)制造商都在爭先恐后地宣傳“碳纖維3D打印”概念，但事實(shí)上，各種碳纖維之間也存在差別。

本次將為您介紹3D打印領(lǐng)域中碳纖維的基礎(chǔ)知識(shí)，文中將定義不同的類型，研究面臨的挑戰(zhàn)、優(yōu)點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)注意事項(xiàng)等。在碳纖維打印領(lǐng)域，我們將深入研究Markforged的碳纖維增強(qiáng) (Carbon Fiber Reinforcement, CFR) 的優(yōu)點(diǎn)。

碳纖維由沿著細(xì)長晶體結(jié)構(gòu)方向排列的碳原子組成，直徑為5-10 微米。這些纖維既可以單獨(dú)使用，也可以將數(shù)千根碳纖維單絲捆束起來組成纖維束加以使用。在現(xiàn)代制造業(yè)中，碳纖維通常會(huì)與其他材料結(jié)合構(gòu)成復(fù)合材料來使用。在與熱塑性或熱固性樹脂基體相結(jié)合時(shí)，碳纖維束可以采用多種形式用于工程應(yīng)用。最常見的應(yīng)用是，將它們纏繞在心軸上成管狀，將它們拉模以擠壓成型，或者將它們編織成帶狀物和織物。上述碳纖維組合方式可以產(chǎn)生超高強(qiáng)度的自定義的幾何形狀，廣泛用于航空航天、汽車、軍事和其他行業(yè)。

碳纖維組合后可增強(qiáng)機(jī)械性能以及耐熱和耐化學(xué)腐蝕特性，使其成為高級(jí)制造的理想選擇。碳纖維具有很強(qiáng)的剛性和抗拉伸強(qiáng)度，而相對(duì)密度卻遠(yuǎn)低于鋼和鋁。碳纖維的強(qiáng)度重量比極高,因此被廣泛用于航空航天和汽車行業(yè)。

短纖維填料(例如玻璃纖維和碳纖維)在注塑成型行業(yè)中已有幾十年的使用歷史，用于改善熱塑性材料的性能。為了制造這些填充線材，制造商將聚合物原料與填充材料混合，制成粒料。這些粒料送入擠出線中，進(jìn)一步混合、連接并拉伸成線材。然后，將線材繞到線軸上并投入使用。在3D打印行業(yè)中，此工藝最常見的應(yīng)用是使用短碳纖維填充線材，以尼龍或ABS塑料作為基材。

務(wù)必需要注意的是，并非所有填料都是用于增強(qiáng)機(jī)械性能的纖維，實(shí)際上，有一些填料是用于改善流動(dòng)性、外形美觀甚至是降低成本。

主要優(yōu)點(diǎn)

強(qiáng)度/剛度的輕微增長這直接使零件強(qiáng)度更大、剛性更強(qiáng)。

提升熱穩(wěn)定性碳纖維的熱膨脹系數(shù)低，有助于減少打印過程中的翹曲。此外，這還有助于防止打印零件在高溫環(huán)境下變形的情況。

更高的打印零件精度機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性均得到提高，這意味著，采用碳纖維填充的零件相比未填充的零件來說，尺寸精度更高。

連續(xù)碳纖維是采用熱塑性涂層的長碳纖維束。然后，使用CFR過程將這些纖維束鋪設(shè)到熱塑性FFF 零件中。在此過程中，通過加熱的噴嘴擠出材料，將熱塑性涂層熱熔合到零件上。在3D打印零件的每一層中，纖維可以按照各種2D方向放置。

用連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的零件其強(qiáng)度會(huì)提高，可與采用傳統(tǒng)復(fù)合材料鋪陳的方式制造的零件相媲美。在填充線材中，短纖維之間不連續(xù)的特性會(huì)導(dǎo)致壓力通過基體材料傳遞，從而機(jī)械強(qiáng)度的相應(yīng)提升并不明顯。在CFR零件中，拉伸和彎曲負(fù)荷會(huì)施加到長纖維束上，對(duì)基體聚合物的負(fù)荷將降到最低，從而帶來大量機(jī)械性能的提升。零件可以采用多種不同的方式進(jìn)行增強(qiáng)，以針對(duì)不同的負(fù)荷條件進(jìn)行優(yōu)化。

連續(xù)纖維增強(qiáng)技術(shù)不僅包括碳纖維，還包括連續(xù)玻璃纖維、Kevlar? 和高強(qiáng)度高溫 Fiberglass 等材料。

主要優(yōu)點(diǎn)

與填充線材所帶來的遞增式改進(jìn)不同，連續(xù)纖維能夠?qū)崿F(xiàn)零件性能的跨越式改進(jìn)。連續(xù)纖維的優(yōu)點(diǎn)包括:

能夠媲美與鋁合金相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的打印件在實(shí)際應(yīng)用中可以取代機(jī)加工的零件。

增強(qiáng)的剛度、抗沖擊性、耐熱性和耐用性可以通過一系列特定連續(xù)纖維增強(qiáng)材料(包括 Kevlar 和 Fiberglass)來實(shí)現(xiàn)。

連續(xù)纖維補(bǔ)充填充線材。例如，Markforged 在 Onyx中使用短碳纖維來提高打印零件的精度和表面光滑度，使用連續(xù)碳纖維將強(qiáng)度和剛度提高了十倍。

Markforged利用3D金屬和碳纖維打印機(jī)轉(zhuǎn)變了制造工藝， 能夠生產(chǎn)出足夠堅(jiān)韌的零件以用于工廠車間。全世界的工程師、設(shè)計(jì)師和制造業(yè)專業(yè)人士都依賴 Markforged金屬和復(fù)合打印機(jī)來生產(chǎn)工裝、夾具、功能性原型和高價(jià)值的最終用途產(chǎn)品。