盘点碳纤维3D打印技术

导读： 3D打印碳纤维是继金属之后第二个最受追捧的增材制造技术。有赖于增材制造领域的最新发展，人们终于实现能够使用各种难以捉摸的材料进行打印的现实。

       3D打印碳纤维是继金属之后第二个最受追捧的增材制造技术。有赖于增材制造领域的最新发展，人们终于实现能够使用各种难以捉摸的材料进行打印的现实。 然而，并非所有碳纤维3D打印机都是相同的——一些机器使用微观短切纤维来增强传统的热塑性塑料，而另一些机器使用铺设在热塑性基体（通常填充有短切纤维）内部的连续纤维来在零件内部创建“骨架”。

       详解碳纤维在3D打印中的作用

       碳纤维由对齐的碳原子链组成，具有极高的拉伸强度。 单独使用它们并不是特别有用 - 它们的薄而脆的特性使它们在任何实际应用中都很容易断裂。 然而，当使用粘接剂将纤维分组并粘合在一起时，纤维会平滑地分布负载，并形成一种强度极高、重量轻的复合材料。 这些碳纤维复合材料以片材，管材或定制的成型特征的形式出现，并用于航空航天和汽车等行业，强度与重量比占主导地位。 通常，热固性树脂用作粘合剂。

       3D打印技术的最新发展使公司能够使用碳纤维进行打印，尽管使用的粘合材料与标准碳纤维工艺不同。树脂不会熔化，因此不能通过喷嘴挤出——为了解决这个问题，3D打印机用易于印刷的热塑性塑料替代树脂。虽然这些部件不像树脂基碳纤维复合材料那样耐热，但它们确实受益于纤维的强度。

       当前，利用3D打印增材制造技术应用于碳纤维增强塑料及复合材料（SCFT、LCFRT、CFRP和CFRTP）在国内外己经成为快速发展的碳纤维复合材料制备的数字化、智能化、自动化的高科技新技术。相比传统碳纤维复合材料成型与制备工艺相比，具有工艺简单、加工成本低、原材料利用率高、生产技术绿色与环保、降低制件的制造成本，同时实现复合材料制件的结构设计与制造一体化完成、无需再开模具制造、可以反复数字化修模与打印制件验证，从而可以加快开发周期、节约开发成本，可作为一种低成本快速成形制造的一种有效技术方案。碳纤维增强塑料及复合材料在航空航天和军工可以用3D打印技术制造出更轻、更强的工业级轻量化复合材料的复杂结构零部件。碳纤维（CF）成本较高、制备工艺条件及控制复杂、特殊的加工成型专用设备少和专业工程技术人员缺乏，使其在3D打印行业发展与应用较少，但是在国内外各个行业的末来应用发展潜力巨大，特别在航空航天、新能源电动汽车研究及开发上具有广泛的应用前景和发展。

       通过FDM熔融挤出的方式打印碳纤维需要将碳纤维复合材料与热熔塑料一起打印，例如利用PETG这样的热熔塑料，PETG这种材料，本身就有很好的延展性，而且它能在承受更高的CF负载的同时保持一定的延展性和抗冲击性。它能够很好地粘附在多种构建平台上，同时也具有优异的层粘合，而碳纤维的加入还能增加它的刚性和尺寸稳定性。荷兰colorFabb公司的XT-CF20打印材料里面就含有伊士曼化工的PETG材料以及20%的碳纤维材料，3DXTECH也是用伊士曼PETG材料结合高模量碳纤维制成复合材料。另外一家公司，Proto-pasta的碳纤维增强材料PLA，是一种玉米淀粉提取的衍生塑料和碳纤维复合材料的合成。

       碳纤维3D打印方法

       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。 短切碳纤维填充热塑性塑料是通过标准FFF（FDM）打印机进行打印，由热塑性塑料（PLA，ABS或尼龙）组成，这种热塑性塑料由微小的短切原丝进行增强，即碳纤维。 另一方面，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FFF（FDM）热塑性基材中。

       短切碳纤维填充塑料和连续纤维制造虽然同样使用碳纤维，但它们之间的差异十分巨大。了解每种方法的工作原理及其理想的应用将有助于您做出明智的决策，确定在增材制造工作中应采取哪些措施。

       短切碳纤维基本上是标准热塑性塑料的增强材料。它允许公司以更高的强度打印一般来说性能较弱的材料。然后将该材料与热塑性塑料混合，并将所得混合物挤压成用于熔融长丝制造（FFF）技术的线轴。对于使用FFF方法的复合材料，材料由短切纤维（通常是碳纤维）与传统热塑性塑料（如尼龙、ABS或聚乳酸）混合而成。尽管FFF工艺保持不变，但短切纤维增加了模型的强度、刚度，并改善了尺寸稳定性，表面光洁度和精度。

       这种方法并非始终没有缺陷。 一些短切纤维增强细丝通过用纤维对材料调节过饱和度来强调强度。 这会对工件的整体质量产生不利影响，从而降低表面质量和零件精度。原型和最终使用的部件可以使用短切碳纤维制造，因为它提供了内部测试或面向客户的部件所需的强度和外观。

       连续碳纤维是真正的优势所在。 这是一种经济有效的解决方案，可以用3D打印复合材料部件替代传统的金属部件，因为它仅使用重量的一小部分就能实现类似的强度。 它可以使用连续长丝制造（CFF）技术把材料镶嵌在热塑性塑料中。 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印刷喷嘴铺设连续的高强度纤维（例如碳纤维，玻璃纤维或Kevlar）。 增强纤维构成印刷部件的“主干”，产生坚硬，坚固和耐用的效果。

       连续碳纤维不仅增加了强度，而且还提供给用户在需要更高耐久性的领域中有选择性地进行加固。 由于核心流程的FFF性质，您可以选择逐层基础来强化。 在每层中，有两种增强方法：同心轴加固和各向同性加固。 同心填充加强了每层（内部和外部）的外边界，并通过用户定义的循环数延伸到零件中。 各向同性填充在每层上形成单向复合增强，并且可以通过改变层上的增强方向来模拟碳纤维编织。 这些强化策略使航空航天，汽车和制造等行业能够以新的方式将复合材料集成到其工作流程中。打印零件可以作为工具和夹具（这些都要求连续的碳纤维可以有效地模拟金属性能。），如手臂末端的工具，软颚，和CMM固定物。

       碳纤维3D打印技术

       1. 激光烧结技术

       材料特点： 短纤增强尼龙、PEEK、TPU等粉末材料

       工艺特点：以一定比例混合短切碳纤维和尼龙材料，通过激光烧结实现一体成型。

       2. 多射流熔融技术

       材料特点： 短纤增强尼龙、PEEK、TPU等粉末材料

       工艺特点：通过灯管加热，在助溶剂作用下零件截面汇集足够热量实现熔化成型。

       盘点碳纤维3D打印技术及主要碳纤维3D打印公司

       MJF技术打印纤维增强部件

       3. FDM技术

       材料特点：长纤增强PLA、尼龙、PEEK等丝材

       工艺特点：通过FDM技术将长纤维填充进常规丝材中，起到增强作用。