复合材料3D打印技术的应用之碳纤维篇

（文章来源：中关村在线）

3D打印中最广泛使用的碳纤维形式是短切碳纤维丝。有多种短切碳纤维混合物可供选择，3DXTECH提供了一些最多样化的类型，其中包括高温热塑性塑料作为基质材料。例如填充有短切碳纤维的PA，PEKK，PEEK和PEI（ULTEM）细丝。

在短切碳纤维长丝中，碳纤维段与热塑性粒料混合，然后挤出成适合挤出3D打印的长丝。因为碳纤维是断裂的，而不是连续的，因此它只能在那些很小的碎片所在的位置提供碳纤维的刚度。

然而，将碳纤维引入热塑性长丝中可以改善其强度和刚度，但是也可能具有负面影响。一组研究人员发现，除了所需的强度外，PEEK-碳纤维复合材料的孔隙率更高，印刷层之间的粘合性更差。另一组发现用于立体光刻的树脂短切碳纤维具有相似的结果，包括增加了脆性。

这并不意味着切碎的碳纤维长丝（或树脂）在3D打印中没有价值，特别是因为相比之下它要便宜得多。2014年，Markforged向世界推出了连续长丝制造（CFF）。在CFF中，碳纤维预先浸渍有热塑性尼龙，该热塑性尼龙是从特种挤出机中沉积的。然后用于增强塑料零件，包括短切碳纤维长丝Onyx。

最近，一家名为Anisoprint的俄罗斯公司已将自己的连续碳纤维印刷版本称为复合纤维共挤出（CFC），进行了商业化。与CFF不同，其预浸料具有一个输入和一个输出，CFC使用两个输入和一个输出。一个输入专用于增强纤维，另一个输入用于热塑性塑料。干纤维被送入系统中，并在其中浸入液态的热固性树脂。在印刷过程中，热固性材料与传统的热塑性长丝固化并一起挤出。然后，渗透到增强纤维中的热固性基体与长丝粘合。

结果，不仅很少有机会在预浸料中引入气泡或空隙，而且还开拓了CFC可以使用的多种热塑性塑料（到目前为止，PETG，ABS，PC，PLA和PA） 。还可以在CFC中控制沉积速率，以生成有趣的结构和特性，这些特性和特性是传统复合材料制造所无法实现的，例如晶格形状。在传统情况下，将一根碳丝束穿过另一束碳丝束时，该区域的厚度将增加一倍。使用CFC，可以减少挤出的热塑性塑料，同时仍然沉积碳纤维，从而减少该区域的塑料量。

反过来，这增加了所谓的“纤维体积比”，相对于复合材料的总体积而言，存在的纤维增强量。较高的纤维体积比通常意味着改善的机械性能。因此，由于这些碳纤维以3D打印的晶格结构纵横交错，因此纤维体积比和强度均增加。在航空航天领域，工程师寻求的纤维体积比率最高为60％左右。但是，使用其他碳纤维3D打印技术时，该比率接近30％至40％。没有晶格结构，CFC可以达到约45％，在碳纤维重叠的点上，该比率增加了一倍，即比传统复合材料更强。

在编织碳纤维中，多层单向纤维交错交错以模拟各向同性，最终以牺牲多余材料为代价提供全向强度。但是，使用CFC时，仅在必要时可以增加材料和强度。因此，Anisoprint强调碳纤维的各向异性是一种优点，而不是一种弱点，这项目技术被命名为“ Anisoprint”。自Markforged和Anisoprint进入市场以来，第三个挑战者以其自己的连续碳纤维印花形式出现了。在Formnext 2019召开之前，Desktop Metal推出了一项称为微自动光纤替换（μAFP）的技术。 μAFP依靠两个打印头：一个放置热塑性长丝，然后将一个换刀器交换到另一个，放下预浸料带，类似于第一部分中简要提到的自动纤维放置技术。

首先将碳纤维热塑性塑料带加热到高于塑料的熔融温度。然后，辊将胶带压在打印的部分上。热量，压力以及冷却后的印刷零件的结合使胶带可以使零件熔融。Desktop Metal正在通过Fiber HT和Fiber LT 3D打印机发布该技术。 LT的年度订购价为3,495美元，可打印PA6-碳纤维或PA6-玻璃纤维带。 HT（每年5,495美元）不仅可以使用这些胶带进行打印，还可以与碳纤维或玻璃纤维结合使用的PEEK或PEKK。 HT也有两个打印头，而LT只有一个。此外，Fiber HT还具有使用其软件中的高级设置来管理纤维方向的能力，可以实现小于1％的孔隙率，并且可以以高达60％的纤维体积比进行打印。

同样在Formnext上，Anisoprint推出了其生产规模的CFC系统，即Anisoprint ProM IS500。该系统具有600 mm x 420 mm x 300 mm的构建体积，该系统具有可打印PEEK和PEI的加热构建室，并且可以进行自动化校准和其他生产质量功能。借助四个可互换的打印头，除碳纤维外，它还将能够结合不同的复合材料。该系统还将配备用于优化晶格结构印刷的软件。 Anisoprint的目标是在2020年底交付其首批ProM IS 500系统。虽然这是俄罗斯公司的第一台生产级碳纤维3D打印机，但它可能面临激烈的竞争，因为还有许多其他公司正在以独特的方式从事碳纤维3D打印的领域的研究。
（责任编辑：fqj）