迎接增材制造时代的到来

尽管碳纤维3D打印已经问世十多年，但它最近几年才快速兴起。目前，市面上现有的许多3D打印机制造商都在争先恐后地宣传“碳纤维3D打印”概念，但事实上，各种碳纤维之间 也存在差别。

3D打印中的碳纤维

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。随着3D打印技术的成熟，制造商一直在努力融入碳纤维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线材和连续纤维。

● 短纤维填充线材
传统熔丝加工 （Fused Filament Fabrication, FFF） 聚合物可以与短碳纤维（通常长度在100微米的量级上）混合，并像标准线材一样打印。在 3D 打印行业中，最常见的应用是使用短碳纤维填充线材，以尼龙或 ABS 塑料作为基材。然而，并非所有填料都是用于增强机械性能的纤维，实际上，有一些填料是用于改善流动性、外形美观甚至是降低成本。

短碳纤维填充线材通常由均匀分布的碳纤维组成，其重量仅占5%至35%。这些纤维是从纤维束铣削或切削而成的短纤维，其尺寸为直径5-10微米，长度50-250微米。在线材生产以及打印过程中，材料挤出工艺的流动性使得纤维填料的方向与打印的方向一致。这意味着要提高抗拉强度和弯曲强度，打印方向最好与零件的外壳方向一致。

这项工艺的主要优点包括：
　● 强度/刚度的轻微增长这直接使零件强度更大、刚性更强。
　● 提升热稳定性碳纤维的热膨胀系数低，有助于减少打印过程中的翘曲。此外，这还有助于防止打印零件在高温环境下变形的情况。
　● 更高的打印零件精度机械稳定性和热稳定性均得到提高，这意味着，采用碳纤维填充的零件相比未填充的零件来说，尺寸精度更高。

短碳纤维具有明显的优势，包括它所占的体积比。这随之带来了一个问题，为什么所有商用3D打印线材都没有办法尽可能多地填充碳纤维？

原因是碳纤维给材料生产工艺和打印工艺都带来了许多挑战，例如，对线材均匀度有不利影响：当硬质填充材料的数量超过了某个临界点，在打印过程中会导致表面光洁度比较差甚至是质量缺陷。此外，碳纤维填充线材具有易磨损性，这会导致针对普通非填充FFF线材设计的打印机挤出组件快速磨损。这种情况可以通过更强化的零件和日常维护来进行防范，但会增加设备成本。纤维含量过高也会阻碍物料流动，并会增加喷嘴堵塞的风险，导致必须经过维护之后才能使用机器。

 
许多线材制造商对这些缺点视而不见，在填充线材中添加尽可能多的短碳纤维。制作出的零件虽然获得了强度，但却牺牲了表面光洁度和机器稳定性。

美国碳纤维3D打印机制造商Markforged 的碳纤维增强 （Carbon Fiber Reinforcement, CFR）在设计填充线材 Onyx 过程中规避了这些有问题的模式。大多数填充线材制造商都以牺牲可打印性为代价来优化其材料的强度，可Markforged依旧优化了打印 Onyx 的尺寸精度、表面光滑度和打印机可靠性。这得益于在CFR中使用的连续纤维的强度和刚度，可以在不牺牲最终零件强度的情况下做到这一点。通过这种方法，提高了打印件的精度、整体刚性和强度，实现了更美观的表面以及整体更可靠的打印效果。

● 连续纤维
连续碳纤维是采用热塑性涂层的长碳纤维束。然后，使用CFR过程将这些纤维束铺设到热塑性FFF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。在填充线材中，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、凯夫拉（Kevlar®）和高强度高温玻璃纤维（Fiberglass）等材料。

这项工艺的主要优点在于，与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 凯夫拉Kevlar和玻璃纤维Fiberglass）来实现。
　● 连续纤维补充填充线材。例如，Markforged在Onyx中使用短碳纤维来提高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。

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。

与纤维填充线材不同，连续纤维由用户通过称为连续纤维增强（Continuous Fiber Reinforcement, CFR） 的额外工艺来实现。CFR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。

在使用CFR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。

经典应用案例分享

在长达数十年的大肆宣传的背景下，Markforged开始展示3D打印在当今供应链优化和制造方面的应用。Markforged分析师对广泛行业的客户进行了调查，确定了利用当前增材技术可能实现的最高价值的应用解决、工作流程和业务流程。

接受调查的客户所提交的应用案例，阐明了3D技术是如何改变他们的业务模式的。对于大多数人来说，起初认为只是工具、夹具和原型的可预测组合。然而，当工程师和设计师真正开始实施这项技术时，零件的质量和简单的工艺完全超出他们最初的认识。 Markforged分析师发现，这些解决方案构建在四个核心特性上：易用性、 设计自由、物理强度和耐久性，以及可靠性。与传统的制造工艺相比，这些特性结合起来使工作流程产生了明显的改进。

● 达科（Dayco）：使用3D打印低成本自由设计复杂性部件
随着消费者对产品的即时性和多样性的偏好增加，制造商必须通过简化供应链来降低运营成本和简化工作流程。增材制造提供了完全灵活自由的设计，以应对这些挑战，而传统方法无法做到。

增材制造的灵活性已经在达科（Dayco）等公司的生产中发挥了关键作用。达科是全球领先的电动汽车系统解决方案提供商。他们提供的一个组件是售后汽车驱动系统，这需要在复杂的发动机罩下组装。这些程序集使用一系列复杂的工具和夹具进行配置，这些工具和夹具完全为这些一次性构建而定制。

面临的挑战是，在保持高混合、低量的后市场汽车工具生产的同时，让熟练工人专注于为创收的零部件设计创造性的工程解决方案。Dayco不是用CNCs来制造量规，而是用Onyx 3D打印量规。这种3D打印材料是一种低成本、高强度的热塑性塑料，由尼龙和切碎的碳纤维组成。Onyx的表面光洁度和精度让Dayco的工程师可以自由有效地创建复杂的方案设计。

达科实现了复杂工程级复合材料零件的自动化生产，解放了熟练的数控加工劳动力，专注于制造高价值的生产流程。

● 伯恩斯坦（BMF）：通过增材制造重组商业模式
随着越来越多的制造商使用增材制造技术改进现有的生产流程，伯恩斯坦机械有限公司 （BMF）等其他公司正在围绕3D打印技术重组其商业模式。

BMF是一家工业后处理设备制造商，主要专注于自动喷砂机。他们的Twister和Tornado 机器是BMF智能表面控制技术的一部分，可通过自动喷砂工艺产生均匀且可重复的表面。这些机器使用各种零件，对机械强度和可靠性有严格的要求。这些零件由于生产过程复杂和交货时间长而导致高昂的供应链和库存管理成本。当他们认识到碳纤维3D打印是一种替代机加工部件的可行方法时，BMF能够在其业务和制造流程中进行大幅改进。

但这还不是BMF经历的最重大转变。由于对零部件的要求很高，BMF的客户遍布全球， 因此需要经常更换易损件。将这些零件运到正确的位置的过程不仅会带来物流方面的噩梦，而且还会使客户决定在库存大量库存还是等待备件之间做出选择。

相比之下，既然这些零件都可以直接打印，BMF已经为客户提供了数字版本的备件，这些客户也是 Markforged用户。由于他们能够监视在何处以及如何处理数字文件，因此他们可以轻松地在适用的情况下按使用量收费。这一新流程消除了支持客户的所有供应链和实体零件成本，同时还带来了卓越的客户体验和价值。

本文由Markforged公司提供

来源：荣格-《国际复材技术商情》

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