来源： 中科院宁波材料所
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。
短切碳纤维填充热塑性塑料制成的3D打印碳纤维 来源：Markforged
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。
碳纤维3D打印使用连续纤维进行增强 来源：markforged
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。
激光烧结碳纤维汽车进气歧管功能样机
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。
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。
FDM打印碳纤维增强PEEK机翼
碳纤维3D打印企业
1、牛津性能材料Oxford Performance Materials
OXFAB主要生产碳纤维增强PEEK材料，适用3D打印设备类型为SLS。目前在航天领域，牛津性能材料Oxford Performance Materials（OPM）已被选定为波音CST-100火箭飞船提供3D打印的结构件，已经开始出货OXFAB材料打印的零部件。而2016年，复合材料巨头美国赫氏（Hexcel）还完成了对牛津性能材料OPM的战略投资。
OXFAB具有高度耐化学性和耐热性，这对于高性能的航空航天和工业零部件十分关键。经过范围广泛的机械试验数据证明，OXFAB可以用于3D打印功能完整的、可直接使用的零部件。OPM正在履行与航空航天和工业领域客户的一些关键开发合同，为商业和军用飞机、太空、工业领域3D打印零部件，这些应用能够显著减轻重量和节省成本。
而赫氏在全球设有多家工厂，生产制造了一系列先进材料-包括碳纤维，增强材料织物、预浸材料（或“预浸料坯”）、蜂窝、模具材料和飞机结构件。获得赫氏投资的OPM在向应用端的结合更加顺势而为。
2、Stratasys公司
Stratasys公司主要生产碳纤维增强尼龙材料，适用3D打印设备类型FDM。增材制造技术领域的专家Stratasys公司用于FDM 3D打印技术的尼龙12CF材料，含有多达35%的碳纤维，因此各种属性都非常优异，比如最终拉伸强度为76兆帕（MPA），拉伸模量为7529兆帕，抗弯强度为142兆帕，足以在许多应用中取代金属，非常适合汽车、航空航天等行业。这种碳纤维增强热塑性材料，用于生产高性能原型，能够在设计验证过程中经受生产零件的严格测试 满足生产环境的苛刻要求，并可应用于生产线上的夹具制造。
Stratasys公司与迈凯轮建立了合作伙伴关系。这一合作伙伴关系已经取得实质性的进展，包括迈凯伦的一级方程式赛车上已经安装了一些3D打印制造的部件。
3、美国硅谷ArevoLabs公司
该公司来自著名的美国硅谷，主要业务包括提供工业级级的碳纤维3D打印机，用于3D打印的新型碳纤维和碳纳米管(CNT)增强型高性能材料，以及借助独有的3D打印技术和专用软件算法，使用市场上现有的长丝融熔3D打印机制造产品级的超强聚合物零部件。这家公司在2015年后期推出了自己的首款机械臂3D打印平台(RAM)。该平台是由ABBRobotics公司的商用6轴机器人系统，FDM3D打印组件，终端效应器硬件，以及一套综合的软件组成的，能够使用高性能的碳纤维热塑性料3D打印出复杂的复合部件。RAM搭载的是ABB公司最小型号的机械臂——IRB120，不过其所使用的可扩展软件是可以匹配和支持更大的型号的，根据型号的不同，其构建体积最小为1000立方毫米，最大可达8000立方毫米。末端执行器的硬件包括一个用于处理高性能碳纤维增强热塑性塑料的热管理沉积头。Arevo公司软件套件将计算机辅助设计模型转换为一组执行增材制造的指令发送给机器人。该软件提供了六度的自由度和多轴的工具路径，机器臂在三维表面可变方向。一个精确的运动学仿真解释材料沉积指令验证和优化打印过程。
4、EnvisionTEC公司
EnvisionTEC于2016年中推出SLCOM1工业级复合材料3D打印机，用来加工碳纤维织物或其他品种的加强型芳纶纤维织物，可选择使用尼龙6、尼龙11、尼龙12、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚碳酸酯和很多其他材料予以增强。适用于航空航天、汽车、体育用品和医疗领域等高品质3D打印零部件的定制化。量身定制出来的产品充分体现出碳纤维非凡的韧性、耐候性、减震性能、高耐磨性和高强度重量比。
5、Electroimpact公司
该公司的旗舰设备是自动纤维铺放设备(AFP)。它采用了超薄碳纤维预浸带或者预浸丝自动铺放技术，可以实现十分精细的打印质量。该设备具有一条长达6.4m的机械臂，头部有16个类似于老式缝纫机上线轱辘的装置，整个手臂被架置在12m长的轨道上，可以围绕模型快速运动并同时进行打印，所以能显著缩短零部件和原型产品的生产时间并降低成本。AFP的基本原理与常规FDM打印机类似，可以打印最长近8m的部件，在不平整和复杂的表面上，打印速度可以达到惊人的5Om／min。一些知名机构和企业已经采购了AFP的设备和产品，比如美国宇航局(NASA)的马歇尔航天就购买了AFP的打印品作为制造航天器的零件，同时波音也购买了多台Electroimpact公司的AFP设备，希望用来制造科技机翼上的复合材料结构
6、ImpossibleObjects
该公司拥有专利的复合材料3D打印工艺(CBAM)工艺，能将特定材料以层层堆积的方式成型，并用内置热源将它们融合在一起。打印完成后将不需要的材料移除即可。ImpossibleObjects公司将强度更高的材料用于3D打印技术，比如碳纤维、芳纶(Kevlar)和玻璃纤维等。打印完成后的零部件要比使用传统热塑性材料3D打印出来的部件强度要高2～10倍。由于其独特的复合材料构成，用户也可以通过定制以用于各种应用，包括热和化学腐蚀等环境。Impossible Objects的创始人RobertSwartz认为，能够打印碳纤维部件将让3D打印技术在很多领域更加有用。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研发了新工艺。新工艺避免打印碳纤维，而从碳纤维布开始。在碳纤维布的上方，打印机根据数字指令精准地喷涂清洗液，然后根据设计加入树脂；将碳纤维布堆积并加热，使树脂融化，与碳纤维结合；最后，将未能与树脂结合的碳纤维去除。Impossible0bjects已根据新工艺做出了可供出售的设备。当前的商业模式是为客户提供高强度塑料产品的打印服务，他们正在将其CBAM技术设备商业化，下一步就将直接出售设备。
7、MarkForged
该公司在2年前推出了全球首款能打印复合材料的桌面3D打印机MarkOne。该设备的成型尺寸为305mm×160mm×160mm，能够使用碳纤维和其它复合材料直接制作出在机械性能上足以与金属部件媲美的“连续纤维加固”塑料类部件。这款机器有2个打印头，一个会使用尼龙材料，另一个会使用碳纤维、玻璃纤维等高强度纤维材料，然后联合制造出强度可以媲美甚至超过铝制品的超强部件。MarkForged的CEOGregMark认为，碳纤维价格昂贵一个重要原因是它的制作工艺：复杂、耗时、人力需求大。Mark认为他们公司开发的新技术简单到只要在电脑里设计好部件，点击按钮，几个小时后就部件就出来了。由于设备的应用广泛、实用性极强，该公司在2015年实现了400％的收益。
8、GermanRepRap
总部位于德国慕尼黑的GermanRepRap公司以其高品质的3D打印机及3D打印线材而知名。随着行业的不断增长，2015年7月20日，该公司宣布又推出一款新的3D打印碳纤维线材Carbon20。公司介绍称，这是一款可以用于3D打印功能性部件的线材。Carbon20线材中含有20％的碳纤维，这也是它名字的由来。它十分适合3D打印那些需要拥有可靠的刚性、硬度的工业零部件。
9、东京理科大学
松崎亮介团队成功地开发了能3D打印碳纤维复合材料的3D打印机。把长丝碳纤维浸泡在热塑性树脂里，进而打印出立体造型。用试验片进行测试，其拉伸强度较热塑性树脂提高了6倍。今后，将进一步提高碳纤维的密度，打印出更高强度的的复合材料造型。由超级树脂工业(东京都稻城市)、日本大学、东京工业大学、宇宙航空研究开发机构(JAXA)共同组成的经济产业省战略性基础技术事业的成果。用碳纤维和热塑性树脂混合制作出3D打印头，然后向打印头提供浸泡过树脂的碳纤维。打印之前，碳纤维需要先加热，使树脂能更容易在纤维与纤维之间渗透扩散。挤出来的树脂可以持续不断地提供给3D打印用的碳纤维。纤维与树脂的混合比例，可以根据打印需求进行调整。
当碳纤维与热塑性树脂聚乳酸的组合使用时、体积纤维的占有率为6.6％，拉伸强度达到是200MPa，增加了6倍。弹性模量达到20GMPa，增加了4倍。现阶段，该团队已完成打印头的制作并能成功进行3D打印。今后，他们目标将碳纤维密度提高10倍左右，以进一步提高打印精度。
当今，增材制造领域已经呈爆发式成长，一些打印机提供了碳纤维打印的能力。如果说3D打印行业要获得千亿美金制造市场的更多份额，3D打印技术就需要在设备工艺与材料两方面发力，碳纤维的种种优势性能体现出这种目标变成现实的可能性，可以肯定的是，要跟传统制造业竞争，复合材料必将是3D打印成为主流技术的背后驱动力之一。
来源： 中科院宁波材料所
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