詳解碳纖維在3D打印中的作用

3D打印碳纖維可能是繼金屬之后第二個最受追捧的增材制造技術(shù)。 有賴于增材制造領(lǐng)域的最新發(fā)展，人們終于實現(xiàn)能夠使用各種難以捉摸的材料進行打印的現(xiàn)實,。 然而，并非所有碳纖維3D打印機都是相同的 - 一些機器使用微觀短切纖維來增強傳統(tǒng)的熱塑性塑料，而另一些機器使用鋪設(shè)在熱塑性基體（通常填充有短切纖維）內(nèi)部的連續(xù)纖維來在零件內(nèi)部創(chuàng)建“骨架”,。

碳纖維由對齊的碳原子鏈組成，具有極高的拉伸強度,。 單獨使用它們并不是特別有用 - 它們的薄而脆的特性使它們在任何實際應(yīng)用中都很容易斷裂,。 然而，當(dāng)使用粘接劑將纖維分組并粘合在一起時,，纖維會平滑地分布負載,，并形成一種強度極高、重量輕的復(fù)合材料,。 這些碳纖維復(fù)合材料以片材,，管材或定制的成型特征的形式出現(xiàn)，并用于航空航天和汽車等行業(yè),，強度與重量比占主導(dǎo)地位,。 通常,，熱固性樹脂用作粘合劑。目前碳纖維3D打印機,，已被微信小程序“全球3D打印產(chǎn)品庫”收錄,，可以進去搜“碳纖維”，找到全球的碳纖維3D打印機,。

3D打印技術(shù)的最新發(fā)展使公司能夠使用碳纖維進行打印,，盡管使用的粘合材料與標(biāo)準(zhǔn)碳纖維工藝不同。樹脂不會熔化,，因此不能通過噴嘴擠出 - 為了解決這個問題,，3D打印機用易于印刷的熱塑性塑料替代樹脂。雖然這些部件不像樹脂基碳纖維復(fù)合材料那樣耐熱,，但它們確實受益于纖維的強度,。

目前有兩種碳纖維打印方法：短切碳纖維填充熱塑性塑料和連續(xù)碳纖維增強材料。 短切碳纖維填充熱塑性塑料是通過標(biāo)準(zhǔn)FFF（FDM）打印機進行打印,，由熱塑性塑料（PLA,，ABS或尼龍）組成，這種熱塑性塑料由微小的短切原絲進行增強,，即碳纖維,。 另一方面，連續(xù)碳纖維制造是一種獨特的打印工藝,，其將連續(xù)的碳纖維束鋪設(shè)到標(biāo)準(zhǔn)FFF（FDM）熱塑性基材中,。

短切碳纖維填充塑料和連續(xù)纖維制造雖然同樣使用碳纖維，但它們之間的差異十分巨大,。 了解每種方法的工作原理及其理想的應(yīng)用將有助于您做出明智的決策,，確定在增材制造工作中應(yīng)采取哪些措施。

采用短切碳纖維填充熱塑性塑料制成的3D打印碳纖維,。 來源：Markforged

短切碳纖維基本上是標(biāo)準(zhǔn)熱塑性塑料的增強材料,。它允許公司以更高的強度打印一般來說性能較弱的材料。然后將該材料與熱塑性塑料混合,，并將所得混合物擠壓成用于熔融長絲制造（FFF）技術(shù)的線軸,。對于使用FFF方法的復(fù)合材料，材料由短切纖維（通常是碳纖維）與傳統(tǒng)熱塑性塑料（如尼龍,、ABS或聚乳酸）混合而成,。盡管FFF工藝保持不變，但短切纖維增加了模型的強度,、剛度,，并改善了尺寸穩(wěn)定性，表面光潔度和精度,。

這種方法并非始終沒有缺陷,。 一些短切纖維增強細絲通過用纖維對材料調(diào)節(jié)過飽和度來強調(diào)強度,。 這會對工件的整體質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，從而降低表面質(zhì)量和零件精度,。原型和最終使用的部件可以使用短切碳纖維制造,，因為它提供了內(nèi)部測試或面向客戶的部件所需的強度和外觀。

碳纖維3D打印使用連續(xù)纖維進行增強,。來源：markforged

連續(xù)碳纖維是真正的優(yōu)勢所在,。 這是一種經(jīng)濟有效的解決方案，可以用3D打印復(fù)合材料部件替代傳統(tǒng)的金屬部件,，因為它僅使用重量的一小部分就能實現(xiàn)類似的強度,。 它可以使用連續(xù)長絲制造（CFF）技術(shù)把材料鑲嵌在熱塑性塑料中。 使用這種方法的打印機在打印時通過FFF擠出的熱塑性塑料內(nèi)的第二個印刷噴嘴鋪設(shè)連續(xù)的高強度纖維（例如碳纖維,，玻璃纖維或Kevlar）。 增強纖維構(gòu)成印刷部件的“主干”,，產(chǎn)生堅硬,，堅固和耐用的效果。

連續(xù)碳纖維不僅增加了強度,，而且還提供給用戶在需要更高耐久性的領(lǐng)域中有選擇性地進行加固,。 由于核心流程的FFF性質(zhì)，您可以選擇逐層基礎(chǔ)來強化,。 在每層中,，有兩種增強方法：同心軸加固和各向同性加固。 同心填充加強了每層（內(nèi)部和外部）的外邊界,，并通過用戶定義的循環(huán)數(shù)延伸到零件中,。 各向同性填充在每層上形成單向復(fù)合增強，并且可以通過改變層上的增強方向來模擬碳纖維編織,。 這些強化策略使航空航天,，汽車和制造等行業(yè)能夠以新的方式將復(fù)合材料集成到其工作流程中。打印零件可以作為工具和夾具（這些都要求連續(xù)的碳纖維可以有效地模擬金屬性能,。）,，如手臂末端的工具，軟顎,，和CMM固定物,。

當(dāng)今，增材制造領(lǐng)域已經(jīng)呈爆發(fā)式成長,，一些打印機提供了碳纖維打印的能力,。但是，您最好注意一下您所購買的復(fù)合材料以及每一種纖維已經(jīng)開放的應(yīng)用,。除非它指明它是連續(xù)的碳纖維,，否則這種材料幾乎肯定是由切碎的碳纖維增強長絲組成的,。雖然兩者都提供獨立的價值，但能夠同時打印兩者是滿足您所有應(yīng)用需求的最佳方式,。

來源：rdmag,、材料科技在線

碳纖維的加入會影響層間結(jié)合力,。因此,，3D打印碳纖維增強材料需要更好的設(shè)備和工藝做保障才能獲得理想的效果。