拉伸强度可达800Mpa！显著提升零件机械性能的连续纤维3D打印技术
碳纤维由沿着细长晶体结构方向排列的碳原子组成，直径为5-10微米。这些纤维既可以单独使用，也可以将数千根碳纤维单丝捆束起来组成纤维束加以使用。在现代制造业中，碳纤维通常会与其他材料结合构成复合材料来使用。在与热塑性或热固性树脂基体相结合时，碳纤维束可以采用多种形式用于工程应用。最常见的应用是，将它们缠绕在心轴上成管状，将它们拉模以挤压成型，或者将它们编织成带状物和织物。上述碳纤维组合方式可以产生超高强度的自定义的几何形状，广泛用于航空航天、汽车、军事和其他行业。碳纤维组合后可增强机械性能以及耐热和耐化学腐蚀特性，使其成为高级制造的理想选择。碳纤维具有很强的刚性和抗拉伸强度，而相对密度却远低于钢和铝。碳纤维的强度重量比极高，因此被广泛用于航空航天和汽车行业。
随着3D打印技术的成熟，制造商一直在努力融入碳纤维材料以提高零件的强度和耐用性。最常见的两种实现方式是短纤维填充材料3D打印和连续纤维3D打印。接下来，我们将结合Markforged 基于材料挤出工艺的连续碳纤维3D打印技术，从材料性能、主要优点以及如何合理优化连续碳纤维3D打印零件，几个方面进一步了解连续碳纤维3D打印。
碳纤维3D打印技术分类
© 3D科学谷白皮书
基于材料挤出工艺的连续碳纤维3D打印
连续碳纤维是采用热塑性涂层的长碳纤维束。然后，使用连续纤维增强 (Continuous Fiber Reinforcement, CFR) 过程将这些纤维束铺设到热塑性 FFF 3D打印零件中。在此过程中，通过加热的喷嘴挤出材料，将热塑性涂层热熔合到零件上。在3D打印零件的每一层中，纤维可以按照各种2D方向放置。用连续碳纤维增强的零件其强度会提高，可与采用传统复合材料铺陈的方式制造的零件相媲美。
而在短纤维填充线材中，短纤维之间不连续的特性会导致压力通过基体材料传递，从而机械强度的相应提升并不明显。在CFR零件中，拉伸和弯曲负荷会施加到长纤维束上，对基体聚合物的负荷将降到最低，从而带来大量机械性能的提升。零件可以采用多种不同的方式进行增强，以针对不同的负荷条件进行优化。连续纤维增强技术不仅包括碳纤维，还包括连续玻璃纤维、Kevlar® 和高强度高温 Fiberglass 等材料。
动态纤维含量
在使用连续纤维增强工艺时，用户可以通过两种方式动态控制零件中的纤维量：更改一层中的纤维量；以及指定要增强的层数。此控制使得工程师能够根据所需的强度精确地进行3D打印。
主要优点
与短纤维填充线材所带来的递增式改进不同，连续纤维能够实现零件性能的跨越式改进。连续纤维的优点包括：
+能够媲美与铝合金相当的强度，连续碳纤维增强的3D打印件在实际应用中可以取代机加工的零件。
+增强的刚度、抗冲击性、耐热性和耐用性可以通过一系列特定连续纤维增强材料（包括 Kevlar 和 Fiberglass）来实现。
+连续纤维补充填充线材。例如，Markforged 在Onyx基体材料中使用短碳纤维来提高3D打印零件的精度和表面光滑度，使用连续碳纤维将强度和刚度提高了十倍。
根据负载需求对纤维进行战略布置
与纤维填充线材不同，连续纤维增强复合材料的制造通过连续纤维增强的额外工艺来实现。CFR工艺使得用户可以在其零件中灵活地实现连续纤维；这样，用户可以更好地控制要添加到零件中的碳纤维量。虽然可以随意地使用连续纤维填充3D打印零件，但只有在根据负载需求对纤维进行战略布置后才能实现最好的效果。经过优化的零件可以使用较少的材料获得相同的预期效果，这样还可以缩短制造时间和减少制造成本。
在考虑使用连续纤维时，可控性是一项关键优势。该可控性可以通过两种关键方法来落实：
1. 确定是否在零件的每一层中放置连续纤维
2. 确定每个需要增强的打印层的增强策略
零件常用的连续纤维技术示例
夹芯板
像传统的复合材料铺设部分一样，在顶部和底部添加连续纤维。在大多数弯曲负载条件下，零件表面的应力集中程度是最高的。夹芯板用于抵抗Z方向的力。
外壳
外壳与夹芯板相似，但在每一层的壁内使用连续纤维构成的闭环。为了进行外壳增强，将连续纤维放置在每层的外围，以抵抗沿 XY 平面的力。
条带
在零件关键区域采用添加了连续纤维“条带”的夹芯板。条带可在较高的夹芯板中使用，用于分散负荷，从而降低填充物屈曲的风险。
连续碳纤维是Markforged独有的超高强度材料，将其铺设到 Onyx 等复合基材上时，可以生产出强度与 6061-T6 铝合金相媲美的零件。它具有极高刚度和超高强度，可以采用 Markforged 3D 打印机自动铺设成各种几何形状。
Markforged 打造了可无缝协作硬件、软件和材料的增材制造平台The Digital Forge，旨在集成到制造用户现有的制造生态系统中，消除设计与功能性零件之间的障碍。
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