盤點(diǎn)碳纖維3D打印技術(shù)及主要碳纖維3D打印公司

來源： 中科院寧波材料所

3D打印碳纖維是繼金屬之后第二個(gè)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(shí)現(xiàn)能夠使用各種難以捉摸的材料進(jìn)行打印的現(xiàn)實(shí),。 然而,，并非所有碳纖維3D打印機(jī)都是相同的——一些機(jī)器使用微觀短切纖維來增強(qiáng)傳統(tǒng)的熱塑性塑料，而另一些機(jī)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”,。

詳解碳纖維在3D打印中的作用
碳纖維由對(duì)齊的碳原子鏈組成,，具有極高的拉伸強(qiáng)度。 單獨(dú)使用它們并不是特別有用 - 它們的薄而脆的特性使它們?cè)谌魏螌?shí)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(shí)，纖維會(huì)平滑地分布負(fù)載,，并形成一種強(qiáng)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(qiáng)度與重量比占主導(dǎo)地位。 通常,，熱固性樹脂用作粘合劑,。

3D打印技術(shù)的最新發(fā)展使公司能夠使用碳纖維進(jìn)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(huì)熔化,，因此不能通過噴嘴擠出——為了解決這個(gè)問題，3D打印機(jī)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(shí)受益于纖維的強(qiáng)度。

當(dāng)前,，利用3D打印增材制造技術(shù)應(yīng)用于碳纖維增強(qiáng)塑料及復(fù)合材料(SCFT,、LCFRT、CFRP和CFRTP)在國內(nèi)外己經(jīng)成為快速發(fā)展的碳纖維復(fù)合材料制備的數(shù)字化,、智能化,、自動(dòng)化的高科技新技術(shù)。相比傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料成型與制備工藝相比,，具有工藝簡(jiǎn)單,、加工成本低、原材料利用率高,、生產(chǎn)技術(shù)綠色與環(huán)保,、降低制件的制造成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料制件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造一體化完成,、無需再開模具制造,、可以反復(fù)數(shù)字化修模與打印制件驗(yàn)證，從而可以加快開發(fā)周期,、節(jié)約開發(fā)成本,，可作為一種低成本快速成形制造的一種有效技術(shù)方案。碳纖維增強(qiáng)塑料及復(fù)合材料在航空航天和軍工可以用3D打印技術(shù)制造出更輕,、更強(qiáng)的工業(yè)級(jí)輕量化復(fù)合材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件,。碳纖維(CF)成本較高、制備工藝條件及控制復(fù)雜,、特殊的加工成型專用設(shè)備少和專業(yè)工程技術(shù)人員缺乏,，使其在3D打印行業(yè)發(fā)展與應(yīng)用較少,，但是在國內(nèi)外各個(gè)行業(yè)的末來應(yīng)用發(fā)展?jié)摿�巨��,，特別在航空航天,、新能源電動(dòng)汽車研究及開發(fā)上具有廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展,。

通過FDM熔融擠出的方式打印碳纖維需要將碳纖維復(fù)合材料與熱熔塑料一起打印,，例如利用PETG這樣的熱熔塑料，PETG這種材料,，本身就有很好的延展性,，而且它能在承受更高的CF負(fù)載的同時(shí)保持一定的延展性和抗沖擊性。它能夠很好地粘附在多種構(gòu)建平臺(tái)上,，同時(shí)也具有優(yōu)異的層粘合,，而碳纖維的加入還能增加它的剛性和尺寸穩(wěn)定性,。荷蘭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%的碳纖維材料,，3DXTECH也是用伊士曼PETG材料結(jié)合高模量碳纖維制成復(fù)合材料,。另外一家公司,，Proto-pasta的碳纖維增強(qiáng)材料PLA，是一種玉米淀粉提取的衍生塑料和碳纖維復(fù)合材料的合成,。
碳纖維3D打印方法
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(qiáng)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(jī)進(jìn)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(jìn)行增強(qiáng),，即碳纖維,。 另一方面，連續(xù)碳纖維制造是一種獨(dú)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,。

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(qiáng)材料,。它允許公司以更高的強(qiáng)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(zhǎng)絲制造（FFF）技術(shù)的線軸,。對(duì)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(qiáng)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(qiáng)細(xì)絲通過用纖維對(duì)材料調(diào)節(jié)過飽和度來強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度,。 這會(huì)對(duì)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?yàn)樗�提供了�?nèi)部測(cè)試或面向客戶的部件所需的強(qiáng)度和外觀,。

碳纖維3D打印使用連續(xù)纖維進(jìn)行增強(qiáng)  來源：markforged

連續(xù)碳纖維是真正的優(yōu)勢(shì)所在,。 這是一種經(jīng)濟(jì)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?yàn)樗鼉H使用重量的一小部分就能實(shí)現(xiàn)類似的強(qiáng)度,。 它可以使用連續(xù)長(zhǎng)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(jī)在打印時(shí)通過FFF擠出的熱塑性塑料內(nèi)的第二個(gè)印刷噴嘴鋪設(shè)連續(xù)的高強(qiáng)度纖維（例如碳纖維,，玻璃纖維或Kevlar）,。 增強(qiáng)纖維構(gòu)成印刷部件的“主干”,，產(chǎn)生堅(jiān)硬，堅(jiān)固和耐用的效果,。

連續(xù)碳纖維不僅增加了強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)化,。 在每層中,，有兩種增強(qiáng)方法：同心軸加固和各向同性加固,。 同心填充加強(qiáng)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(qiáng)，并且可以通過改變層上的增強(qiáng)方向來模擬碳纖維編織,。 這些強(qiáng)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。

碳纖維3D打印技術(shù)

1. 激光燒結(jié)技術(shù)
材料特點(diǎn)： 短纖增強(qiáng)尼龍、PEEK,、TPU等粉末材料
工藝特點(diǎn)：以一定比例混合短切碳纖維和尼龍材料,，通過激光燒結(jié)實(shí)現(xiàn)一體成型。

激光燒結(jié)碳纖維汽車進(jìn)氣歧管功能樣機(jī)

2. 多射流熔融技術(shù)
材料特點(diǎn)： 短纖增強(qiáng)尼龍、PEEK,、TPU等粉末材料
工藝特點(diǎn)：通過燈管加熱,，在助溶劑作用下零件截面匯集足夠熱量實(shí)現(xiàn)熔化成型。

MJF技術(shù)打印纖維增強(qiáng)部件

3. FDM技術(shù)
材料特點(diǎn)：長(zhǎng)纖增強(qiáng)PLA,、尼龍,、PEEK等絲材
工藝特點(diǎn)：通過FDM技術(shù)將長(zhǎng)纖維填充進(jìn)常規(guī)絲材中，起到增強(qiáng)作用,。

FDM打印碳纖維增強(qiáng)PEEK機(jī)翼

碳纖維3D打印企業(yè)
1,、牛津性能材料Oxford Performance Materials
OXFAB主要生產(chǎn)碳纖維增強(qiáng)PEEK材料，適用3D打印設(shè)備類型為SLS,。目前在航天領(lǐng)域,，牛津性能材料Oxford Performance Materials（OPM）已被選定為波音CST-100火箭飛船提供3D打印的結(jié)構(gòu)件，已經(jīng)開始出貨OXFAB材料打印的零部件,。而2016年,，復(fù)合材料巨頭美國赫氏（Hexcel）還完成了對(duì)牛津性能材料OPM的戰(zhàn)略投資。

OXFAB具有高度耐化學(xué)性和耐熱性,，這對(duì)于高性能的航空航天和工業(yè)零部件十分關(guān)鍵,。經(jīng)過范圍廣泛的機(jī)械試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，OXFAB可以用于3D打印功能完整的,、可直接使用的零部件,。OPM正在履行與航空航天和工業(yè)領(lǐng)域客戶的一些關(guān)鍵開發(fā)合同，為商業(yè)和軍用飛機(jī),、太空,、工業(yè)領(lǐng)域3D打印零部件，這些應(yīng)用能夠顯著減輕重量和節(jié)省成本,。

而赫氏在全球設(shè)有多家工廠,，生產(chǎn)制造了一系列先進(jìn)材料-包括碳纖維，增強(qiáng)材料織物,、預(yù)浸材料（或“預(yù)浸料坯”）,、蜂窩、模具材料和飛機(jī)結(jié)構(gòu)件,。獲得赫氏投資的OPM在向應(yīng)用端的結(jié)合更加順勢(shì)而為,。

2、Stratasys公司
Stratasys公司主要生產(chǎn)碳纖維增強(qiáng)尼龍材料,，適用3D打印設(shè)備類型FDM,。增材制造技術(shù)領(lǐng)域的專家Stratasys公司用于FDM 3D打印技術(shù)的尼龍12CF材料，含有多達(dá)35%的碳纖維,，因此各種屬性都非常優(yōu)異,，比如最終拉伸強(qiáng)度為76兆帕（MPA）,，拉伸模量為7529兆帕，抗彎強(qiáng)度為142兆帕,，足以在許多應(yīng)用中取代金屬,，非常適合汽車、航空航天等行業(yè),。這種碳纖維增強(qiáng)熱塑性材料,，用于生產(chǎn)高性能原型，能夠在設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程中經(jīng)受生產(chǎn)零件的嚴(yán)格測(cè)試 滿足生產(chǎn)環(huán)境的苛刻要求,，并可應(yīng)用于生產(chǎn)線上的夾具制造,。

Stratasys公司與邁凱輪建立了合作伙伴關(guān)系。這一合作伙伴關(guān)系已經(jīng)取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展,，包括邁凱倫的一級(jí)方程式賽車上已經(jīng)安裝了一些3D打印制造的部件,。

3、美國硅谷ArevoLabs公司
該公司來自著名的美國硅谷,，主要業(yè)務(wù)包括提供工業(yè)級(jí)級(jí)的碳纖維3D打印機(jī),，用于3D打印的新型碳纖維和碳納米管(CNT)增強(qiáng)型高性能材料，以及借助獨(dú)有的3D打印技術(shù)和專用軟件算法,，使用市場(chǎng)上現(xiàn)有的長(zhǎng)絲融熔3D打印機(jī)制造產(chǎn)品級(jí)的超強(qiáng)聚合物零部件,。這家公司在2015年后期推出了自己的首款機(jī)械臂3D打印平臺(tái)(RAM)。該平臺(tái)是由ABBRobotics公司的商用6軸機(jī)器人系統(tǒng),，F(xiàn)DM3D打印組件,，終端效應(yīng)器硬件，以及一套綜合的軟件組成的,，能夠使用高性能的碳纖維熱塑性料3D打印出復(fù)雜的復(fù)合部件。RAM搭載的是ABB公司最小型號(hào)的機(jī)械臂——IRB120,，不過其所使用的可擴(kuò)展軟件是可以匹配和支持更大的型號(hào)的,，根據(jù)型號(hào)的不同，其構(gòu)建體積最小為1000立方毫米,，最大可達(dá)8000立方毫米,。末端執(zhí)行器的硬件包括一個(gè)用于處理高性能碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的熱管理沉積頭。Arevo公司軟件套件將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換為一組執(zhí)行增材制造的指令發(fā)送給機(jī)器人,。該軟件提供了六度的自由度和多軸的工具路徑,，機(jī)器臂在三維表面可變方向。一個(gè)精確的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真解釋材料沉積指令驗(yàn)證和優(yōu)化打印過程,。

4,、EnvisionTEC公司
EnvisionTEC于2016年中推出SLCOM1工業(yè)級(jí)復(fù)合材料3D打印機(jī)，用來加工碳纖維織物或其他品種的加強(qiáng)型芳綸纖維織物,，可選擇使用尼龍6,、尼龍11,、尼龍12、聚醚醚酮,、聚醚酮酮,、聚碳酸酯和很多其他材料予以增強(qiáng)。適用于航空航天,、汽車,、體育用品和醫(yī)療領(lǐng)域等高品質(zhì)3D打印零部件的定制化。量身定制出來的產(chǎn)品充分體現(xiàn)出碳纖維非凡的韌性,、耐候性,、減震性能、高耐磨性和高強(qiáng)度重量比,。

5,、Electroimpact公司
該公司的旗艦設(shè)備是自動(dòng)纖維鋪放設(shè)備(AFP)。它采用了超薄碳纖維預(yù)浸帶或者預(yù)浸絲自動(dòng)鋪放技術(shù),，可以實(shí)現(xiàn)十分精細(xì)的打印質(zhì)量,。該設(shè)備具有一條長(zhǎng)達(dá)6.4m的機(jī)械臂，頭部有16個(gè)類似于老式縫紉機(jī)上線轱轆的裝置,，整個(gè)手臂被架置在12m長(zhǎng)的軌道上,，可以圍繞模型快速運(yùn)動(dòng)并同時(shí)進(jìn)行打印，所以能顯著縮短零部件和原型產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間并降低成本,。AFP的基本原理與常規(guī)FDM打印機(jī)類似,，可以打印最長(zhǎng)近8m的部件，在不平整和復(fù)雜的表面上,，打印速度可以達(dá)到驚人的5Om／min,。一些知名機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)采購了AFP的設(shè)備和產(chǎn)品，比如美國宇航局(NASA)的馬歇爾航天就購買了AFP的打印品作為制造航天器的零件,，同時(shí)波音也購買了多臺(tái)Electroimpact公司的AFP設(shè)備,，希望用來制造科技機(jī)翼上的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

6、ImpossibleObjects
該公司擁有專利的復(fù)合材料3D打印工藝(CBAM)工藝,，能將特定材料以層層堆積的方式成型,，并用內(nèi)置熱源將它們?nèi)诤显谝黄稹４蛴⊥瓿珊髮⒉恍枰�的材料移除即��,。ImpossibleObjects公司將強(qiáng)度更高的材料用于3D打印技術(shù),，比如碳纖維、芳綸(Kevlar)和玻璃纖維等,。打印完成后的零部件要比使用傳統(tǒng)熱塑性材料3D打印出來的部件強(qiáng)度要高2～10倍,。由于其獨(dú)特的復(fù)合材料構(gòu)成，用戶也可以通過定制以用于各種應(yīng)用，包括熱和化學(xué)腐蝕等環(huán)境,。Impossible Objects的創(chuàng)始人RobertSwartz認(rèn)為,，能夠打印碳纖維部件將讓3D打印技術(shù)在很多領(lǐng)域更加有用。目前由3D打印的塑料部件其性能并不好,，而想要提高性能,，就需要更好的材料。ImpossibleObjects研發(fā)了新工藝,。新工藝避免打印碳纖維,，而從碳纖維布開始。在碳纖維布的上方,，打印機(jī)根據(jù)數(shù)字指令精準(zhǔn)地噴涂清洗液,，然后根據(jù)設(shè)計(jì)加入樹脂；將碳纖維布堆積并加熱,，使樹脂融化,，與碳纖維結(jié)合；最后,，將未能與樹脂結(jié)合的碳纖維去除,。Impossible0bjects已根據(jù)新工藝做出了可供出售的設(shè)備。當(dāng)前的商業(yè)模式是為客戶提供高強(qiáng)度塑料產(chǎn)品的打印服務(wù),，他們正在將其CBAM技術(shù)設(shè)備商業(yè)化,，下一步就將直接出售設(shè)備。

7,、MarkForged
該公司在2年前推出了全球首款能打印復(fù)合材料的桌面3D打印機(jī)MarkOne,。該設(shè)備的成型尺寸為305mm×160mm×160mm，能夠使用碳纖維和其它復(fù)合材料直接制作出在機(jī)械性能上足以與金屬部件媲美的“連續(xù)纖維加固”塑料類部件,。這款機(jī)器有2個(gè)打印頭,，一個(gè)會(huì)使用尼龍材料，另一個(gè)會(huì)使用碳纖維,、玻璃纖維等高強(qiáng)度纖維材料,，然后聯(lián)合制造出強(qiáng)度可以媲美甚至超過鋁制品的超強(qiáng)部件。MarkForged的CEOGregMark認(rèn)為,，碳纖維價(jià)格昂貴一個(gè)重要原因是它的制作工藝：復(fù)雜、耗時(shí),、人力需求大,。Mark認(rèn)為他們公司開發(fā)的新技術(shù)簡(jiǎn)單到只要在電腦里設(shè)計(jì)好部件，點(diǎn)擊按鈕,，幾個(gè)小時(shí)后就部件就出來了,。由于設(shè)備的應(yīng)用廣泛、實(shí)用性極強(qiáng),，該公司在2015年實(shí)現(xiàn)了400％的收益,。

8,、GermanRepRap
總部位于德國慕尼黑的GermanRepRap公司以其高品質(zhì)的3D打印機(jī)及3D打印線材而知名。隨著行業(yè)的不斷增長(zhǎng),，2015年7月20日,，該公司宣布又推出一款新的3D打印碳纖維線材Carbon20。公司介紹稱,，這是一款可以用于3D打印功能性部件的線材,。Carbon20線材中含有20％的碳纖維，這也是它名字的由來,。它十分適合3D打印那些需要擁有可靠的剛性,、硬度的工業(yè)零部件。

9,、東京理科大學(xué)
松崎亮介團(tuán)隊(duì)成功地開發(fā)了能3D打印碳纖維復(fù)合材料的3D打印機(jī),。把長(zhǎng)絲碳纖維浸泡在熱塑性樹脂里，進(jìn)而打印出立體造型,。用試驗(yàn)片進(jìn)行測(cè)試,，其拉伸強(qiáng)度較熱塑性樹脂提高了6倍。今后,，將進(jìn)一步提高碳纖維的密度,，打印出更高強(qiáng)度的的復(fù)合材料造型。由超級(jí)樹脂工業(yè)(東京都稻城市),、日本大學(xué),、東京工業(yè)大學(xué)、宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)共同組成的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省戰(zhàn)略性基礎(chǔ)技術(shù)事業(yè)的成果,。用碳纖維和熱塑性樹脂混合制作出3D打印頭,，然后向打印頭提供浸泡過樹脂的碳纖維。打印之前,，碳纖維需要先加熱,，使樹脂能更容易在纖維與纖維之間滲透擴(kuò)散。擠出來的樹脂可以持續(xù)不斷地提供給3D打印用的碳纖維,。纖維與樹脂的混合比例,，可以根據(jù)打印需求進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)碳纖維與熱塑性樹脂聚乳酸的組合使用時(shí),、體積纖維的占有率為6.6％,，拉伸強(qiáng)度達(dá)到是200MPa，增加了6倍,。彈性模量達(dá)到20GMPa,，增加了4倍。現(xiàn)階段，該團(tuán)隊(duì)已完成打印頭的制作并能成功進(jìn)行3D打印,。今后,，他們目標(biāo)將碳纖維密度提高10倍左右，以進(jìn)一步提高打印精度,。

當(dāng)今,，增材制造領(lǐng)域已經(jīng)呈爆發(fā)式成長(zhǎng)，一些打印機(jī)提供了碳纖維打印的能力,。如果說3D打印行業(yè)要獲得千億美金制造市場(chǎng)的更多份額,，3D打印技術(shù)就需要在設(shè)備工藝與材料兩方面發(fā)力，碳纖維的種種優(yōu)勢(shì)性能體現(xiàn)出這種目標(biāo)變成現(xiàn)實(shí)的可能性,，可以肯定的是,，要跟傳統(tǒng)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，復(fù)合材料必將是3D打印成為主流技術(shù)的背后驅(qū)動(dòng)力之一,。

來源： 中科院寧波材料所