构建未来：探索连续纤维3D打印的先行者

导读：连续纤维增材制造（Continuous Fiber Additive Manufacturing, CFAM）是一种先进的3D打印技术，能够在打印过程中嵌入连续的纤维材料，显著提高打印件的结构强度和刚性。近年来，CFAM技术得到了显著的发展，尤其是在力学性能的提升、工艺参数优化、以及新材料的应用方面取得了进步。CFAM技术的有效应用推动了结构设计制造的转变，从“为制造而设计”向“为设计而制造”的理念转变。那么，目前聚焦于连续纤维增材制造技术的厂商有哪些？连续纤维增材制造的未来发展如何？

阿奈索
阿奈索是全世界最早研究连续纤维技术的团队之一，多年来专注连续纤维共挤3D打印技术，主要制造轻量化、形状复杂且具有超高机械性能的复合材料零部件。2023年，阿奈索宣布将公司整体搬至中国，并更名为阿奈索三维打印有限公司，以上海为营销中心，苏州常熟为研发制造总部，并且已于2023年7月在国内完成了数千万元人民币的首轮融资。阿奈索在中国制造业第一大国的土壤上，能实现技术上更快速的升级迭代，产品生产上最大程度的降本增效。

△阿奈索团队

主要技术
阿奈索的专利Composite Fiber Co-extrusion（CFC）复合纤维共挤技术可以在多种基体树脂材料中实现连续纤维增强，开放了材料体系，极大丰富了使用场景。得益于CFC技术带来的灵活的纤维体积分数，Anisoprint产品可以打印出多种形状的点阵结构连续纤维填充，在大幅降低制造成本与制造时间的同时，保持结构强度的均衡分布。

△CFC技术示意图

阿奈索的Composite Fiber Co-extrusion（CFC）技术是一种创新的增材制造过程，用于生产轻质且强度高的复合材料部件，具有复杂的形状和内部结构。这一过程基于通过特殊开发的打印头将连续的复合纤维嵌入熔融塑料中。打印头包括两个挤出机，一个用于塑料（FFF），另一个用于复合材料（CFC）。复合挤出机有两个入口和一个喷嘴。中央入口用于复合纤维，侧面入口用于塑料。复合纤维通过中央通道进入，并由通过侧面通道进入加热块的熔融塑料包覆。通过挤出机喷嘴，连续纤维与熔融塑料层层铺设在工作面上，从而形成了增强连续纤维的复合部件。

CFC技术支持使用多种塑料，处理温度可达500°C，包括ABS、PLA、PETG、PA和PC等。材料可以根据部件的运行或经济参数的目标进行变化，以实现最佳性能。这项技术的优势在于它结合了形状的灵活性和广泛的塑料选择范围，能够制造出高质量的增强材料。例如，可以用于制造航空座椅支架、机器人腿部、乳品生产线的零件等。

亮点产品

1.工业级连续纤维3D打印设备——Composer Nova

△Composer Nova工业级CFC打印机

Composer Nova主要解决四大痛点：打印速度慢、支撑结构难去除、纤维头易堵料、成本高昂。Composer Nova目前已经在海内外已经销售，客户包括法国米其林、日本本田等，以用于批量打印工装夹具等。

优势：具有新一代超高稳定性CFC打印头，可实现4个打印头独立自动切换。具备纤维铺设力度与速度全自动监控及调整，能够自动调平、自动校准、全封闭材料存储仓。设备支持水溶性支撑材料，非常便于去除支撑。设备还具有多种硬件检测和控制整个打印过程，包括材料感应传感器、纤维编码器以及张力传感器。

2.桌面级打印设备——Composer A3&A4

△Composer A3&A4打印机

阿奈索的Composer A3和Composer A4是两款专业的桌面级连续碳纤维3D打印机，也是使用CFC技术来生产连续纤维增强的聚合物和热塑性部件。这两款打印机的主要区别在于打印的体积大小，A3打印机的打印体积为460 × 297 × 210 mm，A4打印机的打印体积为297 × 210 × 140 mm，更适小体积制造以及空间有限的环境。A3和A4的是两款已经销售多年的连续纤维3D打印设备，有超过一两百台的保有量。这两款产品最主要的三大特点是开源、开放、安全，在国内受到了极大的欢迎，尤其是高校和科研机构等。

△阿奈索产品系列

阿奈索还有PROM系列打印机，这也是工业生产级打印机、 具备大尺寸定制方案、能够兼容高温材料。工业级高温材料连续纤维3D打印机prom IS 500，可以升级为四个打印头，打印超大成型尺寸。除了上述的产品系列外，阿奈索还有一款基于六轴机械臂打印设备——PROM PT，对于打印复杂的几何形状更加灵活适用，可以在3D维度上实现连续纤维3D打印。

协同高科


深圳协同创新高科技发展有限公司（协同高科）成立于2019年，核心以服务航空航天等重大工业领域产品的轻量化、高性能、数字化、智能化为目标，通过连续纤维、金属、陶瓷增材制造等多种3D打印装备、材料、工艺技术研发，形成完备产品链条。自成立以来，公司已面向航空航天等重大国防等工业应用场景推进增材制造核心装备的国产化进程，是一家累计完成20+项典型技术突破和产业拓展，形成50+项关键或共性技术突破，累计知识产权100+项的国家级高新技术企业，旗下已形成协同高科（XT）、云疆智造（YJ）和斐帛科技（Combot）等多个品牌。

△协同高科参加TCT ASIA 2024展会，现场部分工作人员合影

主要技术
协同高科使用连续纤维增强热塑性聚合物基高性能复合材料进行3D打印，其CFAM技术不仅改进了传统3D打印零件强度不足的缺点，推动了3D打印技术向工业化应用的进程，还克服了传统复合材料成型工艺成本高、周期长的技术瓶颈。这使得高性能复杂结构复合材料构件的低成本一体化快速制造成为可能。协同高科的CFAM技术具有以下特点：
    ●高性能复合材料：采用连续纤维与热塑性聚合物为原材料，实现复合材料制备与复杂结构复合材料零件成形的一体化制造。
    ●技术创新：协同高科的技术源自西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，致力于中国连续纤维复材3D打印的研发与应用。
    ●专利技术：拥有大量专利，是中国首批连续纤维3D打印的团队之一，专利技术数量在国内排名第一。
    ●工业应用：CFAM技术在航空航天、武器军工、高校院所、投资机构等领域获得青睐，以自主知识产权突破“卡脖子”技术，增强市场竞争力。


亮点产品

1.YJ-F600

△YJ-F600

YJ-F600是协同高科推出的一款大尺寸大尺寸连续纤维增强打印机，打印幅面高达600*450*500，此设备集成了四室协温策略，将基板、喷头、料仓等温度协同起来，主要为了完成特种塑料基基体的打印过程，是工业级的一款设备。可以打印连续纤维体系、碳纤维体系、玄武岩纤维、玻璃纤维等，可用的材料范围非常的广，适合高性能材料的打印。

YJ-F600的核心优势在于其国内首创的工业级连续纤维3D打印智能装备，拥有自主知识产权。成型尺寸满足大多数工业构件需求，最高可实现410℃高温塑料打印，可用于生产具有连续纤维增强的高温热塑性复合材料。设备还配备了伺服电机+滚珠丝杆高精度控制，加热高温打印平台，大理石保温舱室，满足工业制造、科研等不同领域的使用需求

2.YJ-X300-M

△YJ-X300-M

除了高温设备之外，还有低温设备YJ-X300-M，此设备的体积较小，幅面为350*350*350，打印温度在300-300摄氏度以下，能够打印PA、PC等材料体系，碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维也是没有问题的。YJ-X300是一款专为打印结构复杂的复合材料零件而设计的连续纤维3D打印装备，这款设备具有桌面机的价格和工业机的品质。具有双喷头协作打印功能，支持断点打印、区间打印，带自动剪断功能，使其能够在打印过程中实现连续纤维和树脂的精确控制，从而提高打印出的零件的力学性能和表面质量，既满足了科研使用，也能满足工业要求。

3.多自由度连续纤维3D打印平台

△多自由度连续纤维打印平台

协同高科的多自由度连续纤维打印平台是一项先进的3D打印技术，通过增加打印过程中的自由度来提高打印零件的精度和质量。这种打印平台通常配备有多个运动轴，可以在多个方向上移动和定位，从而允许创建更复杂的几何形状和结构。协同高科的这款设备具有以下特点：
    ●机械臂：具有六个自由度，能够在三维空间内灵活移动。
    ●打印平台：具有摆动和旋转两个自由度，增加了打印过程的灵活性。
    ●双喷头设计：一个喷头用于打印基体材料，另一个喷头用于添加纤维材料，这样的配置有助于提高构件的力学性能。
    ●应用：适用于需要斜面结构以保证力学稳定性的薄壳件，以及其他需要高强度和复杂形状的零件。

这种多自由度的打印平台在制造过程中可以克服材料各向异性带来的性能限制，特别是在Z轴方向上。此外，由于可以在不更换打印头的情况下完成两种材料的打印，因此可以提高打印效率和速度，降低制造成本。

长江工研院


长江工研院，即南京长江工业技术研究院有限公司，是一家由南京航空航天大学与南京市六合区人民政府共同成立的国有企业，在连续纤维复合材料3D打印装备领域取得了显著成就。

亮点产品

1.工业级500系列打印机

△工业级500系列打印机

长江工研院推出的工业级500系列打印机主要针对工业生产环境下对复材构件极高的热稳定性、力学性能、化学稳定性及抗磨性能应用场景需求，设备采用液冷高温双协同打印头，结合高腔温和高基板温度，为纤维增强PEEK等高性能复合材料增材制造需求提供全套技术解决方案。设备的主要特点如下：
    ●专业性一双喷头支持短/连续纤维自动切换
    ●高性能一高腔温适于PEEK等打印
    ●开放性一广泛支持市场化及定制化丝材
    ●灵活性一配套高可设计性路径规划软件

2.桌面级300系列

△桌面级300系列

长江工研院推出的桌面级300系列打印机面向高校及科研院所探究短/连续纤维复合材料“成形-工艺-结构-性能”研究应用需求，融合先进的自研路径规划软件，通过短/连续纤维高度自定义路径规划设计，实现短/连续纤维复合材料的精准协同成形，为连续纤维复合材料增材制造技术领域的探索创新提供全套技术解决方案。设备主要特点如下：
    ●专业性一双喷头支持短/连续纤维自动切换
    ●开放性一广泛支持市场化及定制化丝材
    ●灵活性一配套高可设计性路径规划软件

Markforged
Markforged成立于2013年，总部位于马萨诸塞州，在全球拥有约250名员工，其业务遍及全球：航空航天、电子制造、医疗、汽车制造，教育、包装、工业设备等行业。Markforged被《福布斯》（Forbes）评为“十亿美元创业公司”，并在2019年Deloitte Fast 500中名列美国增长最快的硬件公司第二名，2021年7月15日，金属和连续纤维增材制造商Markforged宣布在纽约证券交易所上市。可以说，Markforged是连续纤维复合材料3D打印硬件市场的领导者，2023年年收入超过1亿美元（约合7亿人民币）。

△适用于各种场景下的打印机

主要技术
Markforged的连续纤维技术（Continuous fiber reinforcement ，CFR）是该公司的核心创新之一，在3D打印过程中将连续纤维嵌入热塑性基材中，从而生产出具有金属强度的零件，为制造业提供了降本增效的解决方案，同时也为设计和工程师提供了更大的设计自由度和快速迭代的能力。Markforged连续纤维技术的特点如下：
    ●超高强度连续纤维：Markforged的碳纤维是一种超高强度的连续纤维，可以自动铺设成各种几何形状，当与Onyx等复合基材结合时，可以生产出与6061-T6铝合金相媲美的强度零件。
    ●极高刚度：碳纤维具有极高的刚度和超高的强度，适用于制造高强度工具和夹具、支架和底座、检测/CMM夹具以及定制最终零件。
    ●多样化应用：Markforged的3D打印机，如FX20™、X7™和Mark Two™，都支持这种连续纤维技术，使其能够应用于多种行业和制造需求。

亮点产品

1.X7™工业级复合材料打印机

△Markforged X7 CFR 工业级碳纤维3D打印机

Markforged X7 CFR 工业级碳纤维 3D 打印机结合了精密制造的硬件、先进的传感器和一流的软件，可重复生产高精度零件。机配有精加工的加固龙门和精密研磨的打印底板，可以拆卸和更换，重复精度为 10 um。从喷嘴到挤出机滚刀，线材挤出系统中的每一个硬件均经过优化，以避免短碳纤维填充尼龙丝材磨损，并在数千小时内保持打印质量。材料耗尽传感器可确保连续打印，打印头上的扫描激光使打印机能够动态调整打印的第一层以实现完美的底板附着效果，并在打印后检查零件精度。X7 配有第三代纤维增强系统，用户能够将连续纤维铺设到零件中。Markforged 复合打印机能够打印四种连续纤维增强零件。主要特点如下：

     ●碳纤维强度：X7 3D 可在数小时内打印出连续碳纤维增强零件，其强度与机加工铝相当，并且可以用作其替代品。
     ●所有类型的功能性零件：X7 可使用工业材料或打印模式，制造高品质的功能性零件，从而满足阻燃性、耐化学腐蚀性、能量吸收、高分辨率、拔模零件等各种功能要求。
     ●工业可靠性和精度：精密加工的硬件、先进的传感器和独特的软件均助力实现一流的精度和可靠性。Markforged 工业级碳纤维 3D 打印机的微米级激光扫描功能可进行闭环校准，可靠地生产具有高度可重复性和表面光洁度近乎完美的零件。

2.Mark Two

△专业级碳纤维 3D 打印机

Mark Two是Markforged的旗舰型连续碳纤维复合3D打印机，采用连续纤维增强 (CFR) 工艺，可靠地生产坚固耐用的零件。打印机配备有一体成型铝合金框架，具有高精度和可重复性等特点。硬化挤出系统能够在数千个打印小时内可靠地打印 Onyx（一种能够破坏传统挤出系统的短碳纤维填充尼龙丝材），能够制造易于磨损的部件（如喷嘴和进料管），以及功能性部件。除了比较常见的 FFF 功能，Mark Two 还配有第二代纤维增强系统，用户能够将连续纤维铺设到零件中。Markforged 复合打印机能够打印连续纤维增强零件，其强度可媲美于机加工铝制零件。

3.FX10

FX10采用新一代传感器套件和灵活的模块化系统设计，在零件强度、表面光洁度和可靠性方面与我们的工业设备相媲美，第五代挤出系统以两倍于X7的速度提供精确的可重复结果。加热打印室和自动线轴更换功能可让您打印大型、高质量的零件，且激光测微计和板载视觉模块可捕捉详细的部件图像，用于精确校准、检查和验证。

4.X20

△X20打印机

X20是 Markforged 迄今为止体积最大、最精确的机器。这款大尺寸3D 打印机配有 84 L 加热成型舱和附着在打印板的大型平面真空底板。运动控制系统通过精密线性编码器提供闭环控制，经调整可快速准确地移动重达3 kg的打印头。在Turbo模式下，FX20 的零件打印速度快于任何其他 Markforged 机器，新型超大卷材料可提供四倍的材料量且无需更换。FX20 操作十分简便。配备 7 英寸触摸屏，用户可以方便的控制打印机的各项功能。具备自动校准和调平功能，可减少操作人员的输入，各种传感器能够提供有关机器性能的实时反馈。材料舱可调节湿度，内含两个活动的超大材料仓，还可以再容纳另外两卷材料。

Markforged的3D打印机都支持其独特的连续纤维增强技术，使得打印出的零件具有极高的强度和刚度，可以在多种工业应用中替代传统的金属零件。

同异科技

苏州同异三维打印科技有限公司，是一家集高性能连续碳纤维复合丝材制备、3D打印设备和切片软件研发为一体的高科技公司，致力于为客户提供连续碳纤维复合材料产品设计与制造的一站式解决方案，旨在使零件更轻、更强、更智能。以下是同异科技的一些核心特点：

△同异科技参加2022TCT Asia 展会

     ●技术创新：同异科技拥有双喷头智能切换技术，能够满足连续碳纤维和基体材料在层内和层间的自由组合，实现了CCFRTP（Continuous Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Polymer）零件材料和结构一体化快速制造。
     ●材料研发：公司研发了适配于其3D打印机的连续碳纤维预浸渍丝材，这些丝材以1K碳纤维原丝与热塑性树脂为原材料，采用一系列复杂且精密的浸渍处理工艺制备。
     ●软件支持：同异科技提供的切片软件支持完全自定义、参数化的增强路径设计，用户可以自由地设计纤维增强方案。
     ●行业应用：产在航空制造、汽车工业、医疗设备等多个领域有着广泛的应用前景

主要技术

同异科技的CCFRTP（Continuous Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Polymer）技术是一种先进的3D打印工艺，结合了连续碳纤维的高强度和热塑性聚合物的易加工性，技术的详细过程如下：

    ●材料准备：首先，以碳纤维原丝与热塑性树脂为原材料，通过一系列复杂且精密的浸渍处理工艺制备预浸渍丝材。这一步骤确保了碳纤维与树脂的完美结合，为后续打印过程提供了高质量的原材料。
    ●双喷头智能切换：在3D打印过程中，同异科技的打印机通过双喷头智能切换，满足连续碳纤维和基体材料在层内和层间的自由组合。这一步骤实现了CCFRTP零件材料和结构一体化快速制造。
    ●精准布丝：利用高精度丝杠精密传动系统，实现丝材的精准铺设。这一步骤保证了零件的几何精度和表面质量，同时形成了零件的主要承力骨架。
    ●无缝镶嵌：采用嵌入式等层厚打印策略无缝镶嵌，解锁增强路径无限可能。这一步骤极致发挥了连续纤维增强潜能，提高了零件的力学性能。
    ●力形兼备：独创力形结合增强策略，通过精准控制纤维的铺设，提高了零件的力学性能。这一步骤使得打印出的零件不仅外形精确，而且具有优异的力学属性。


亮点产品
1.工业级连续碳纤维3D打印设备TOYI Y600

工业级连续碳纤维3D打印设备TOYI Y600，搭配全新升级的iFiber设计切片软件，支持完全自定义、参数化的增强路径设计。设备具有独创的完全自主知识产权的连续碳纤维复合丝材制备技术，实现了复合丝材与零件基体材料的完美融合，打印的零件具有极高的强度、刚度和优异的耐高温、抗腐蚀等性能。

△TOYI Y600

性能优势：
    ●超大打印尺寸：600mm*500mm*400mm，120升超大打印体积，远超同级别进口设备。
    ●高精度控制系统：基于西门子SIMATIC T-CPU的高精度控制系统，400mm/s下高精度、高稳定性打印。
    ●支持耐高温材料打印：PEEK/PEI等耐高温材料、PA/PETG/PLA等及其短纤增强材料；兼容1K/3K连续碳纤维复合丝材。
    ●精准温度管理控制：喷头温度450℃，200℃腔体温度，250℃平台温度，水冷散热系统实现高效精准温度控制。
    ●高效率工业生产：材料的一致性、设备的稳定性和软件的可靠性，满足用户7*24小时高可靠性高效率生产制造。

同异科技拥有系列打印机产品：

△同异科技系列打印机产品

●T300：增材制造复合材料领域“材料-工艺-结构-性能”研究，针对高校科研院所、企业研发需求。
●T420：面向常规尺寸、常温工程材料的复合材料零部件的生产制造。
●Y600：超大尺寸、高温打印、工业级；7*24小时高可靠性工业生产应用。

2.iFiber增强设计软件

△iFiber增强设计软件

从力学性能“增强（reinforcement）”的底层逻辑出发，不同于传统的几何“填充（infill）”概念，iFiber是⼀款为连续纤维增强3D打印技术量身定做、全新理念的⼀款设计软件。iFiber独创的基于“力流”增强设计，基于零件几何与力学信息的连续碳纤维的增强策略，可充分发挥连续碳纤维的力学特性，极大提升零件的结构效率。除了提供了传统随形、网格等多种连续碳纤维增强策略，iFiber实现了完全自定义、完全参数化的增强路径设计，用户可以根据需求、随心所欲设计纤维增强方案。

Continuous Composites
Continuous Composites是一家位于美国爱达荷州的创新公司，专注于连续纤维3D打印技术（CF3D）。这项技术结合了高性能的复合材料和快速固化的热固性树脂，能够按需创建复杂的部件。CF3D技术包括硬件、材料、软件和可配置的运动平台，无需传统制造过程中的模具和自动化克制，就能发挥复合材料的力量。Continuous Composites提供的解决方案具有设计自由度高、成本低、可扩展性强和材料组合丰富等特点。Continuous Composites拥有在连续纤维打印方面最早授予的专利，是增材制造行业和复合材料领域的创新领导者。



主要技术——CF3D
CF3D技术的核心始于连续干纤维，该纤维在现场浸渍由末端执行器输送的可定制、快速固化的热固性树脂。末端执行器由专有软件驱动的运动平台移动，使用连续纤维，可以精确打印部件并对其进行优化，以实现最高性能。



CF3D技术的特点包括：

●新一代硬件：CF3D末端执行原位浸渍纤维，并在沉积后立即固化纤维 + 树脂组合。该过程利用数字控制器，使用连续纤维提供高精度和精密打印。CF3D 是一种可配置且可扩展的硬件解决方案，适用于任何客户应用。

●定制材料解决方案：通过单步过程打印结构纤维（例如碳纤维、玻璃纤维）和功能纤维（例如光纤、金属纤维），CF3D提供了可调的聚合物基体材料，以满足客户的机械性能、热传递和环境耐久性要求。



●设计自由：软件解决方案弥合了传统制造零件设计与CF3D独特打印过程之间的差距，软件支持早期和中期CAD集成、几何和物理分析以及CAM生成以及验证。



未来展望
在中国，CFAM技术被视为加快实现智能制造的重要手段之一，对于推动中国制造业由“中国制造”向“中国智造”转型升级具有重要意义。在“中国制造2025”国家规划中，CFAM技术占据了重要位置。

目前，CFAM技术在航空航天、交通运输等多个领域得到大量应用。研究人员对CFAM成形工艺、制造设备进行了深入分析，并对未来发展趋势进行了预测，预计CFAM技术将继续在提高复合材料力学性能、优化工艺参数、扩大材料选择范围等方面取得更多突破。CFAM技术的发展也带来了新的设计机遇和创新应用。

总的来说，CFAM技术已经从早期的概念和原型制造发展到现在的工业应用和产品创新阶段。随着研究的深入和技术的成熟，CFAM技术有望在未来实现更广泛的应用和更大的产业影响。