長(zhǎng)期以來，碳纖維由于具有優(yōu)異的特性，包括高強(qiáng)度、低重量、高耐化學(xué)性、高溫耐受性、低熱膨脹性等，已廣泛應(yīng)用許多領(lǐng)域。碳纖維的強(qiáng)度比鋼高五倍，而密度卻輕兩倍，這些特性使碳纖維特別適合依賴于材料特性來優(yōu)化性能的應(yīng)用，如航空航天、汽車、軍事或土木工程等。
碳纖維很少單獨(dú)使用，它們通常與其他材料結(jié)合形成所謂的復(fù)合材料，這些復(fù)合材料由碳纖維增強(qiáng)基體材料（通常是聚合物）制成，盡管也可以使用非聚合物材料（例如陶瓷）作為基體，但聚合物基復(fù)合材料應(yīng)用最為廣泛。碳纖維對(duì)基體增強(qiáng)后主要的好處是材料可以更堅(jiān)固、更輕，并增加了剛度。
該自行車車架的主體由碳纖維制成
碳纖維復(fù)合材料已廣泛用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并可用于制造許多產(chǎn)品，例如自行車車架、飛機(jī)機(jī)翼、螺旋槳葉片、汽車部件等。由于碳纖維的諸多優(yōu)勢(shì)，因此它的應(yīng)用也不再局限于傳統(tǒng)制造領(lǐng)域。近年來，越來越多的3D打印公司提供了碳纖維增強(qiáng)材料。那么碳纖維如何用于增材制造中呢？
IDTechEx在其2020-2030年3D打印復(fù)合材料報(bào)告中透露，到2030年，全球3D打印復(fù)合材料市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到17億美元。該數(shù)據(jù)還包括其他增強(qiáng)復(fù)合材料如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。
盡管如此，這種趨勢(shì)清楚地表明3D打印行業(yè)在其制造活動(dòng)中越來越多地使用包括碳纖維在內(nèi)的所有復(fù)合材料。在3D打印中，碳纖維基本上有兩種使用方法，第一種是短切碳纖維增強(qiáng)，第二種是連續(xù)碳纖維增強(qiáng)。
短碳纖維由長(zhǎng)度小于一毫米的線段組成，并與稱為基礎(chǔ)材料的熱塑性塑料混合，這些熱塑性塑料包括PLA、PETG、尼龍、ABS和聚碳酸酯等。這些纖維非常堅(jiān)固，它們使熱塑性塑料強(qiáng)度和剛度增加，并且還減輕了其總重量。
由于碳纖維具有高剛度，因此有時(shí)候會(huì)堵塞3D打印機(jī)的噴嘴，因此通過會(huì)使用硬化的鋼噴嘴。另外，超過一定的纖維閾值，3D打印的零件將失去表面光潔度。
將碳纖維結(jié)合到燈絲中以增強(qiáng)其強(qiáng)度
一些公司開發(fā)了3D打印碳纖維用于更多技術(shù)應(yīng)用，如用作高性能材料（HPP）（例如PEEK或PEKK ）作為基礎(chǔ)材料。因此，它們不僅具有HPP的優(yōu)點(diǎn)如耐用性、優(yōu)異機(jī)械和化學(xué)性能，而且還提高了強(qiáng)度/重量比。由于HPP依賴于可達(dá)到約400°C的擠出機(jī)以及加熱系統(tǒng)，因此需要調(diào)整打印參數(shù)。該領(lǐng)域的常見制造商包括Roboze、3DXTech、ColorFabb、Markforged、Kimya、Intamsys、Zortrax等。
為了獲得更堅(jiān)固的零件，可以使用另一種技術(shù)，稱為連續(xù)碳纖維增強(qiáng)。由于碳纖維沒有短切，因此保留了更高的強(qiáng)度。實(shí)際上，連續(xù)碳纖維3D打印的強(qiáng)度足以取代一半重量的鋁。
3D打印機(jī)制造商聲稱，在某些應(yīng)用中它可以代替金屬3D打印——主要優(yōu)勢(shì)是它比金屬便宜。最后，通過根據(jù)DfAM技術(shù)放置碳纖維，可以增加零件的強(qiáng)度，同時(shí)減少材料的使用。
使用DfAM技術(shù)，可以使用碳纖維加固零件
市場(chǎng)上有一些制造商可提供連續(xù)3D打印碳纖維的技術(shù)，按照添加碳纖維的時(shí)間可以將其分為兩種，即可在3D打印之前或之中添加連續(xù)碳纖維。3D打印前添加碳纖維又被稱為基體預(yù)浸料，而在擠出過程中添加則被稱為共擠出。在預(yù)浸工藝中，碳纖維是通過拉擠成型工藝將碳纖維浸漬了聚合物。
在市場(chǎng)上提供連續(xù)纖維3D打印技術(shù)與產(chǎn)品的生產(chǎn)商主要包括Markforged、Anisoprint、CEAD等。最近，Desktop Metal也將入了競(jìng)爭(zhēng)行列，并推出了名為Fiber的新系統(tǒng)，纖維使用微型自動(dòng)光纖放置。此外，9T Labs也開發(fā)了添加劑融合技術(shù)（AFT），以較低的成本批量生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料。
擺脫了廣為人知的擠壓工藝，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了一種有趣的技術(shù)：AREVO基于定向能量沉積技術(shù)的專有工藝，該工藝使用激光同時(shí)加熱長(zhǎng)絲和碳纖維，輥將兩者壓縮在一起。
Impossible Objects和EnvisionTEC還在其機(jī)器使用范圍內(nèi)增加了用于碳纖維3D打印的系統(tǒng)，但是技術(shù)有所不同。它們通過使用層壓工藝將碳纖維片編織成印刷品。Continuous Composites則使用一種混合技術(shù)，將纖維束用樹脂浸透，然后使用紫外線進(jìn)行固化，這與SLA 3D打印類似。
連續(xù)碳纖維3D打印增加塑料零件的強(qiáng)度|
（主要參考3dnatives）
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