关注ℱ了解碳纤维在3D打印中的作用
一个使用传统复合材料进行碳纤维3D打印的例子。 来源：Markforged
3D打印碳纤维可能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”。
Understanding carbon fiber
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。
Printing in carbon fiber
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。
Printing with chopped carbon fiber vs continuous carbon fiber
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。
采用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。
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。但是，您最好注意一下您所购买的复合材料以及每一种纤维已经开放的应用。除非它指明它是连续的碳纤维，否则这种材料几乎肯定是由切碎的碳纤维增强长丝组成的。虽然两者都提供独立的价值，但能够同时打印两者是满足您所有应用需求的最佳方式。
来源：rdmag、材料科技在线
翻译整理：赛奥碳纤维
原文题目：Understanding the Role of Carbon Fiber in 3D Printing
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