新闻动态-实威国际·研威贸易 SOLIDWORKS 一级代理商

使用碳纤维的理由

尽管碳纤维3D打印已经存在了十年之久，但在最近几年中它迅速崛起。如今，许多现有的3D打印机制造商都在争先恐后地利用“碳纤维3D打印”一词，但并非所有碳纤维3D打印是其所称。

本指南涵盖了3D打印领域中，碳纤维的基础知识，我们将在其中定义不同的类型，研究挑战，益处，实施注意事项等。在碳纤维3D打印领域，将深入研究Markforged的碳纤维增强（CFR）的优势。

碳纤维基础

什么是碳纤维？

碳纤维由碳原子组成，这些碳原子组织成直径5-10微米长而细的晶体结构。这些纤维可以单独使用，也可以在成束的纤维束中使用。在现代制造业中，碳纤维几乎总是与其他材料结合形成复合材料。当与热塑性或热固性树脂基底连接时，碳纤维束可以采用多种形式用于工程应用。最常见的是，将它们缠绕在心轴上以形成管子，将其放进模具以进行拉挤或热压成型，或者将它们编织成胶带和织物。这种组合可创建强大的自定义几何形状，从而可以用于航空，汽车，军事和其他行业。

碳纤维增强机械性能以及耐热和耐化学性的结合，使其成为高级制品的理想选择。碳纤维具有很高的刚性和拉伸强度，而相对密度却远低于钢和铝。由于其极高的强度重量比，碳纤维被广泛用于航空和汽车工业。

短纤线材

背景

使用短纤维填入塑料中，例如玻璃纤维和碳纤维(在塑料射出行业中已经使用了数十年，以改善热塑性塑料的材料性能)。

为了制造短纤塑料线材，制造商将聚合物原料与填充材料混合，将它们制成颗粒料。这些颗粒料透过加热进一步融合，之后将其挤出、拉伸成长线材。然后将长线材卷成捆，让3D打印机可以使用。

最常见的应用是使用尼龙或ABS作为基础材料，再添加短碳纤维。

重要的是要注意，并不是所有的填充剂都是纤维，用于增强机械性能，实际上，有些是用于改善流动性，美观的外观，甚至降低成本。

Markforged发现短碳纤维含量合适时，短碳纤填充线材可有无与伦比的表面平整度。

短碳纤填充线材通常由重量分布均匀的5％至35％的碳纤维粉组成。这些纤维粉属于短纤，是从纤维束中磨碎或切碎而来，尺寸范围从直径5-10微米到长度50-250微米。在使用短碳纤填充线材打印时，材料挤出过程的流动性一致，使材料在印刷方向上整齐且平均。这意味着抗拉强度和抗弯强度的提高。

主要好处

+边缘增加强度/刚性

这直接转化为更强更硬的零件。

+热稳定性提高

碳纤维具有热膨胀系数低的特性，可以帮助减少在印刷过程中翘曲。此外也

有助于打印部分在热环境中抵抗变形。

+更大的打印零件精度

在机械和热稳定的特性，将增加碳纤维填充部件，比其未填充的对应物更佳

的尺寸精度。

挑战性

短碳纤填充线材具有明显的优势，您可能想知道:为什么所有的商用线材都没有填充尽可能多的碳纤维?原因是碳纤维对材料生产过程和打印过程都有许多挑战，其中包括：

--如果硬质填充材料的体积增加到一定以上，则会对线材均匀性产生负面影响，这可能会导致不良的表面平整度和打印过程中的质量瑕疵。

--填充碳纤维的线材具有磨蚀性，并且会迅速磨损专为通用未填充碳纤维FFF线材设计的打印机挤出组件。可以通过加强组件和例行维护来减轻这种情况，但会增加设备成本。

--碳纤维含量过多也会阻塞喷嘴，增加喷嘴堵塞的风险，导致机器无法使用，直到执行维护或更换。许多线材制造商选择忽略这些缺点，并在线材中添加尽可能多的短碳纤维。所得到的部件牺牲表面光洁度和机器可靠性为代价，来获得强度。

Markforged的碳纤维增强材料（Carbon Fiber Reinforcement）使用能够降低这些失败因素的方式，设计出短碳纤填充线材--Onyx。尽管大多数填充线材制造商都以可打印性来决定，优化其材料的强度，但我们对Onyx进行了尺寸精度，表面平整度和打印机稳定性的优化。由于CFR中使用的碳纤维的强度和刚性，在不牺牲最终零件强度的情况下平衡这些特点，这将在下面介绍。结果是提高了零件的精度，整体刚性和强度，更美观的表面以及整体完整性。

连续性纤维

背景

连续碳纤维是涂有热塑性塑料的长碳纤维线材。然后使用CFR技术将这些纤维线材铺设到热塑性FFF部件

中。在此过程中，通过将材料加热的喷嘴挤出，将热塑性涂层热熔合到零件上。可以在3D打印零件的每一

层中，以各种2D方向放置连续碳纤维线材。

用连续碳纤维增强的零件强度，可与一般复合铺层制造的零件相媲美。在短碳纤填充线材中，短纤维之间的

非连续性会使机械负荷通过基底聚合物传递，从而将相关的机械性能提。在CFR零件中，拉伸和弯曲负荷会

以最小的基质聚合物传递到长纤维线材上，让整体机械性能再提高。零件可以采用多种不同的方式进行加

固，以针对不同的负载条件进行变化。连续纤维增强技术不仅包括碳纤维，还包括玻璃纤维，Kevlar®和高

强度高温玻璃纤维。

可变的连续纤维排列

使用CFR，用户可以通过两种方式控制零件中的纤维量，通过更改一层中的纤维量并指定要加固的层数，该设定使工程师能够让3D打印零件，其强度完全满足他们的需求。

主要好处

与短纤填充线材纤维增量变化相反，连续纤维能够实现零件性能跳跃式的改变，连续纤维的优点包括：

+能够达到与铝合金(6061-T6)类似的强度，

连续的碳纤维增强零件可以在应用中取代加工部件。

+通过一系列特殊的连续纤维增强材料（包括Kevlar®纤维和玻璃纤维），可以提高刚度，抗冲击性，耐热性和耐久性。

+连续纤维补强了Onyx。

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洁度，而连续碳纤维则将其强度和刚度提高十倍。

使用连续纤维

与短纤填充线材不同，连续纤维是通过CFR过程实现的。 CFR允许用户灵活地在其零件中填充连续纤维，这样用户可以更好地控制要放入零件中的碳纤维量。尽管可以用连续纤维随意填充零件，但最好的结果是根据装载条件对纤维束进行策略布置。优化的零件是使用较少的连续纤维材料，即可提供相同的预期结果，这也减少了制造时间和成本。

可控制的设定是一项关键优势

连续纤维有两种主要考虑方式：

1。确定是否在零件的每一层中放置连续纤维

2。确定每个增强层的增强方式

通常用于零件的连续纤维技术示例包括：

三明治结构

像传统的复合铺层零件一样，在顶部和底部添加连续纤维。在大多数弯曲载荷条件下，零件表面的应力集中最高。三明治结构用于抵抗Z方向力量。

壳层

类似于三明治结构，但在每一层的壁内使用连续纤维的环。壳层加固将连续纤维放置在每层的外围，以抵抗沿XY平面的载荷。

交错路径

连续纤维交错路径层，在零件的关键区域(层)增加了连续纤维“交错路径打印”此设定可用较多的三明治结构以分配载荷，降低平片翘曲。