【专业讲堂】一文简要了解碳纤维3D打印技术及国外主要制造商

长期以来，碳纤维由于具有优异的特性，包括高强度、低重量、高耐化学性、高温耐受性、低热膨胀性等，已广泛应用许多领域。碳纤维的强度比钢高五倍，而密度却轻两倍，这些特性使碳纤维特别适合依赖于材料特性来优化性能的应用，如航空航天、汽车、军事或土木工程等。

碳纤维很少单独使用，它们通常与其他材料结合形成所谓的复合材料，这些复合材料由碳纤维增强基体材料（通常是聚合物）制成，尽管也可以使用非聚合物材料（例如陶瓷）作为基体，但聚合物基复合材料应用最为广泛。碳纤维对基体增强后主要的好处是材料可以更坚固、更轻，并增加了刚度。

该自行车车架的主体由碳纤维制成

碳纤维复合材料已广泛用于结构设计，并可用于制造许多产品，例如自行车车架、飞机机翼、螺旋桨叶片、汽车部件等。由于碳纤维的诸多优势，因此它的应用也不再局限于传统制造领域。近年来，越来越多的3D打印公司提供了碳纤维增强材料。那么碳纤维如何用于增材制造中呢？

3D打印应用

IDTechEx在其2020-2030年3D打印复合材料报告中透露，到2030年，全球3D打印复合材料市场价值将达到17亿美元。该数据还包括其他增强复合材料如玻璃纤维增强复合材料等。

尽管如此，这种趋势清楚地表明3D打印行业在其制造活动中越来越多地使用包括碳纤维在内的所有复合材料。在3D打印中，碳纤维基本上有两种使用方法，第一种是短切碳纤维增强，第二种是连续碳纤维增强。

短切碳纤维

短碳纤维由长度小于一毫米的线段组成，并与称为基础材料的热塑性塑料混合，这些热塑性塑料包括PLA、PETG、尼龙、ABS和聚碳酸酯等。这些纤维非常坚固，它们使热塑性塑料强度和刚度增加，并且还减轻了其总重量。

由于碳纤维具有高刚度，因此有时候会堵塞3D打印机的喷嘴，因此通过会使用硬化的钢喷嘴。另外，超过一定的纤维阈值，3D打印的零件将失去表面光洁度。

将碳纤维结合到灯丝中以增强其强度

一些公司开发了3D打印碳纤维用于更多技术应用，如用作高性能材料（HPP）（例如PEEK或PEKK ）作为基础材料。因此，它们不仅具有HPP的优点如耐用性、优异机械和化学性能，而且还提高了强度/重量比。由于HPP依赖于可达到约400°C的挤出机以及加热系统，因此需要调整打印参数。该领域的常见制造商包括Roboze、3DXTech、ColorFabb、Markforged、Kimya、Intamsys、Zortrax等。

连续碳纤维增强

为了获得更坚固的零件，可以使用另一种技术，称为连续碳纤维增强。由于碳纤维没有短切，因此保留了更高的强度。实际上，连续碳纤维3D打印的强度足以取代一半重量的铝。

3D打印机制造商声称，在某些应用中它可以代替金属3D打印——主要优势是它比金属便宜。最后，通过根据DfAM技术放置碳纤维，可以增加零件的强度，同时减少材料的使用。

使用DfAM技术，可以使用碳纤维加固零件

市场上有一些制造商可提供连续3D打印碳纤维的技术，按照添加碳纤维的时间可以将其分为两种，即可在3D打印之前或之中添加连续碳纤维。3D打印前添加碳纤维又被称为基体预浸料，而在挤出过程中添加则被称为共挤出。在预浸工艺中，碳纤维是通过拉挤成型工艺将碳纤维浸渍了聚合物。

在市场上提供连续纤维3D打印技术与产品的生产商主要包括Markforged、Anisoprint、CEAD等。最近，Desktop Metal也将入了竞争行列，并推出了名为Fiber的新系统，纤维使用微型自动光纤放置。此外，9T Labs也开发了添加剂融合技术（AFT），以较低的成本批量生产碳纤维复合材料。

碳纤维3D打印：其他技术

摆脱了广为人知的挤压工艺，市场上也出现了一种有趣的技术：AREVO基于定向能量沉积技术的专有工艺，该工艺使用激光同时加热长丝和碳纤维，辊将两者压缩在一起。

Impossible Objects和EnvisionTEC还在其机器使用范围内增加了用于碳纤维3D打印的系统，但是技术有所不同。它们通过使用层压工艺将碳纤维片编织成印刷品。Continuous Composites则使用一种混合技术，将纤维束用树脂浸透，然后使用紫外线进行固化，这与SLA 3D打印类似。

连续碳纤维3D打印增加塑料零件的强度|

（主要参考3dnatives）