碳纖維由沿著細長晶體結(jié)構(gòu)方向排列的碳原子組成，直徑為5-10微米。這些纖維既可以單獨使用，也可以將數(shù)千根碳纖維單絲捆束起來組成纖維束加以使用。在現(xiàn)代制造業(yè)中，碳纖維通常會與其他材料結(jié)合構(gòu)成復(fù)合材料來使用。在與熱塑性或熱固性樹脂基體相結(jié)合時，碳纖維束可以采用多種形式用于工程應(yīng)用。最常見的應(yīng)用是，將它們纏繞在心軸上成管狀，將它們拉模以擠壓成型，或者將它們編織成帶狀物和織物。上述碳纖維組合方式可以產(chǎn)生超高強度的自定義的幾何形狀，廣泛用于航空航天、汽車、軍事和其他行業(yè)。碳纖維組合后可增強機械性能以及耐熱和耐化學(xué)腐蝕特性，使其成為高級制造的理想選擇。碳纖維具有很強的剛性和抗拉伸強度，而相對密度卻遠低于鋼和鋁。碳纖維的強度重量比極高，因此被廣泛用于航空航天和汽車行業(yè)。

      隨著3D打印技術(shù)的成熟，制造商一直在努力融入碳纖維材料以提高零件的強度和耐用性。最常見的兩種實現(xiàn)方式是短纖維填充材料3D打印和連續(xù)纖維3D打印。接下來，我們將結(jié)合Markforged 基于材料擠出工藝的連續(xù)碳纖維3D打印技術(shù)，從材料性能、主要優(yōu)點以及如何合理優(yōu)化連續(xù)碳纖維3D打印零件，幾個方面進一步了解連續(xù)碳纖維3D打印。

碳纖維3D打印技術(shù)分類
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 基于材料擠出工藝的連續(xù)碳纖維3D打印

連續(xù)碳纖維是采用熱塑性涂層的長碳纖維束。然后，使用連續(xù)纖維增強 (Continuous Fiber Reinforcement, CFR) 過程將這些纖維束鋪設(shè)到熱塑性 FFF 3D打印零件中。在此過程中，通過加熱的噴嘴擠出材料，將熱塑性涂層熱熔合到零件上。在3D打印零件的每一層中，纖維可以按照各種2D方向放置。用連續(xù)碳纖維增強的零件其強度會提高，可與采用傳統(tǒng)復(fù)合材料鋪陳的方式制造的零件相媲美。

而在短纖維填充線材中，短纖維之間不連續(xù)的特性會導(dǎo)致壓力通過基體材料傳遞，從而機械強度的相應(yīng)提升并不明顯。在CFR零件中，拉伸和彎曲負荷會施加到長纖維束上，對基體聚合物的負荷將降到最低，從而帶來大量機械性能的提升。零件可以采用多種不同的方式進行增強，以針對不同的負荷條件進行優(yōu)化。連續(xù)纖維增強技術(shù)不僅包括碳纖維，還包括連續(xù)玻璃纖維、Kevlar® 和高強度高溫 Fiberglass 等材料。

 動態(tài)纖維含量

在使用連續(xù)纖維增強工藝時，用戶可以通過兩種方式動態(tài)控制零件中的纖維量：更改一層中的纖維量；以及指定要增強的層數(shù)。此控制使得工程師能夠根據(jù)所需的強度精確地進行3D打印。

 主要優(yōu)點

與短纖維填充線材所帶來的遞增式改進不同，連續(xù)纖維能夠?qū)崿F(xiàn)零件性能的跨越式改進。連續(xù)纖維的優(yōu)點包括：

+能夠媲美與鋁合金相當(dāng)?shù)膹姸龋�連續(xù)碳纖維增強的3D打印件在實際應(yīng)用中可以取代機加工的零件。

+增強的剛度、抗沖擊性、耐熱性和耐用性可以通過一系列特定連續(xù)纖維增強材料（包括 Kevlar 和 Fiberglass）來實現(xiàn)。

+連續(xù)纖維補充填充線材。例如，Markforged 在Onyx基體材料中使用短碳纖維來提高3D打印零件的精度和表面光滑度，使用連續(xù)碳纖維將強度和剛度提高了十倍。

 根據(jù)負載需求對纖維進行戰(zhàn)略布置

與纖維填充線材不同，連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的制造通過連續(xù)纖維增強的額外工藝來實現(xiàn)。CFR工藝使得用戶可以在其零件中靈活地實現(xiàn)連續(xù)纖維；這樣，用戶可以更好地控制要添加到零件中的碳纖維量。雖然可以隨意地使用連續(xù)纖維填充3D打印零件，但只有在根據(jù)負載需求對纖維進行戰(zhàn)略布置后才能實現(xiàn)最好的效果。經(jīng)過優(yōu)化的零件可以使用較少的材料獲得相同的預(yù)期效果，這樣還可以縮短制造時間和減少制造成本。

在考慮使用連續(xù)纖維時，可控性是一項關(guān)鍵優(yōu)勢。該可控性可以通過兩種關(guān)鍵方法來落實：

1. 確定是否在零件的每一層中放置連續(xù)纖維

2. 確定每個需要增強的打印層的增強策略

 零件常用的連續(xù)纖維技術(shù)示例

夾芯板

像傳統(tǒng)的復(fù)合材料鋪設(shè)部分一樣，在頂部和底部添加連續(xù)纖維。在大多數(shù)彎曲負載條件下，零件表面的應(yīng)力集中程度是最高的。夾芯板用于抵抗Z方向的力。

外殼

外殼與夾芯板相似，但在每一層的壁內(nèi)使用連續(xù)纖維構(gòu)成的閉環(huán)。為了進行外殼增強，將連續(xù)纖維放置在每層的外圍，以抵抗沿 XY 平面的力。

條帶

在零件關(guān)鍵區(qū)域采用添加了連續(xù)纖維“條帶”的夾芯板。條帶可在較高的夾芯板中使用，用于分散負荷，從而降低填充物屈曲的風(fēng)險。

連續(xù)碳纖維是Markforged獨有的超高強度材料，將其鋪設(shè)到 Onyx 等復(fù)合基材上時，可以生產(chǎn)出強度與 6061-T6 鋁合金相媲美的零件。它具有極高剛度和超高強度，可以采用 Markforged 3D 打印機自動鋪設(shè)成各種幾何形狀。

Markforged 打造了可無縫協(xié)作硬件、軟件和材料的增材制造平臺The Digital Forge，旨在集成到制造用戶現(xiàn)有的制造生態(tài)系統(tǒng)中，消除設(shè)計與功能性零件之間的障礙。

(責(zé)任編輯：admin)

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