盤點碳纖維3D打印技術(shù)及主要碳纖維3D打印公司

來源： 中科院寧波材料所

3D打印碳纖維是繼金屬之后第二個最受追捧的增材制造技術(shù)。 有賴于增材制造領(lǐng)域的最新發(fā)展，人們終于實現(xiàn)能夠使用各種難以捉摸的材料進行打印的現(xiàn)實。 然而，并非所有碳纖維3D打印機都是相同的——一些機器使用微觀短切纖維來增強傳統(tǒng)的熱塑性塑料，而另一些機器使用鋪設(shè)在熱塑性基體（通常填充有短切纖維）內(nèi)部的連續(xù)纖維來在零件內(nèi)部創(chuàng)建“骨架”。

詳解碳纖維在3D打印中的作用
碳纖維由對齊的碳原子鏈組成，具有極高的拉伸強度。 單獨使用它們并不是特別有用 - 它們的薄而脆的特性使它們在任何實際應(yīng)用中都很容易斷裂。 然而，當使用粘接劑將纖維分組并粘合在一起時，纖維會平滑地分布負載，并形成一種強度極高、重量輕的復(fù)合材料。 這些碳纖維復(fù)合材料以片材，管材或定制的成型特征的形式出現(xiàn)，并用于航空航天和汽車等行業(yè)，強度與重量比占主導(dǎo)地位。 通常，熱固性樹脂用作粘合劑。

3D打印技術(shù)的最新發(fā)展使公司能夠使用碳纖維進行打印，盡管使用的粘合材料與標準碳纖維工藝不同。樹脂不會熔化，因此不能通過噴嘴擠出——為了解決這個問題，3D打印機用易于印刷的熱塑性塑料替代樹脂。雖然這些部件不像樹脂基碳纖維復(fù)合材料那樣耐熱，但它們確實受益于纖維的強度。

當前，利用3D打印增材制造技術(shù)應(yīng)用于碳纖維增強塑料及復(fù)合材料(SCFT、LCFRT、CFRP和CFRTP)在國內(nèi)外己經(jīng)成為快速發(fā)展的碳纖維復(fù)合材料制備的數(shù)字化、智能化、自動化的高科技新技術(shù)。相比傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料成型與制備工藝相比，具有工藝簡單、加工成本低、原材料利用率高、生產(chǎn)技術(shù)綠色與環(huán)保、降低制件的制造成本，同時實現(xiàn)復(fù)合材料制件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造一體化完成、無需再開模具制造、可以反復(fù)數(shù)字化修模與打印制件驗證，從而可以加快開發(fā)周期、節(jié)約開發(fā)成本，可作為一種低成本快速成形制造的一種有效技術(shù)方案。碳纖維增強塑料及復(fù)合材料在航空航天和軍工可以用3D打印技術(shù)制造出更輕、更強的工業(yè)級輕量化復(fù)合材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件。碳纖維(CF)成本較高、制備工藝條件及控制復(fù)雜、特殊的加工成型專用設(shè)備少和專業(yè)工程技術(shù)人員缺乏，使其在3D打印行業(yè)發(fā)展與應(yīng)用較少，但是在國內(nèi)外各個行業(yè)的末來應(yīng)用發(fā)展?jié)摿�巨大，特別在航空航天、新能源電動汽車研究及開發(fā)上具有廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展。

通過FDM熔融擠出的方式打印碳纖維需要將碳纖維復(fù)合材料與熱熔塑料一起打印，例如利用PETG這樣的熱熔塑料，PETG這種材料，本身就有很好的延展性，而且它能在承受更高的CF負載的同時保持一定的延展性和抗沖擊性。它能夠很好地粘附在多種構(gòu)建平臺上，同時也具有優(yōu)異的層粘合，而碳纖維的加入還能增加它的剛性和尺寸穩(wěn)定性。荷蘭colorFabb公司的XT-CF20打印材料里面就含有伊士曼化工的PETG材料以及20%的碳纖維材料，3DXTECH也是用伊士曼PETG材料結(jié)合高模量碳纖維制成復(fù)合材料。另外一家公司，Proto-pasta的碳纖維增強材料PLA，是一種玉米淀粉提取的衍生塑料和碳纖維復(fù)合材料的合成。
碳纖維3D打印方法
目前有兩種碳纖維打印方法：短切碳纖維填充熱塑性塑料和連續(xù)碳纖維增強材料。 短切碳纖維填充熱塑性塑料是通過標準FFF（FDM）打印機進行打印，由熱塑性塑料（PLA，ABS或尼龍）組成，這種熱塑性塑料由微小的短切原絲進行增強，即碳纖維。 另一方面，連續(xù)碳纖維制造是一種獨特的打印工藝，其將連續(xù)的碳纖維束鋪設(shè)到標準FFF（FDM）熱塑性基材中。

短切碳纖維填充塑料和連續(xù)纖維制造雖然同樣使用碳纖維，但它們之間的差異十分巨大。了解每種方法的工作原理及其理想的應(yīng)用將有助于您做出明智的決策，確定在增材制造工作中應(yīng)采取哪些措施。

短切碳纖維填充熱塑性塑料制成的3D打印碳纖維 來源：Markforged

短切碳纖維基本上是標準熱塑性塑料的增強材料。它允許公司以更高的強度打印一般來說性能較弱的材料。然后將該材料與熱塑性塑料混合，并將所得混合物擠壓成用于熔融長絲制造（FFF）技術(shù)的線軸。對于使用FFF方法的復(fù)合材料，材料由短切纖維（通常是碳纖維）與傳統(tǒng)熱塑性塑料（如尼龍、ABS或聚乳酸）混合而成。盡管FFF工藝保持不變，但短切纖維增加了模型的強度、剛度，并改善了尺寸穩(wěn)定性，表面光潔度和精度。

這種方法并非始終沒有缺陷。 一些短切纖維增強細絲通過用纖維對材料調(diào)節(jié)過飽和度來強調(diào)強度。 這會對工件的整體質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，從而降低表面質(zhì)量和零件精度。原型和最終使用的部件可以使用短切碳纖維制造，因為它提供了內(nèi)部測試或面向客戶的部件所需的強度和外觀。

碳纖維3D打印使用連續(xù)纖維進行增強  來源：markforged

連續(xù)碳纖維是真正的優(yōu)勢所在。 這是一種經(jīng)濟有效的解決方案，可以用3D打印復(fù)合材料部件替代傳統(tǒng)的金屬部件，因為它僅使用重量的一小部分就能實現(xiàn)類似的強度。 它可以使用連續(xù)長絲制造（CFF）技術(shù)把材料鑲嵌在熱塑性塑料中。 使用這種方法的打印機在打印時通過FFF擠出的熱塑性塑料內(nèi)的第二個印刷噴嘴鋪設(shè)連續(xù)的高強度纖維（例如碳纖維，玻璃纖維或Kevlar）。 增強纖維構(gòu)成印刷部件的“主干”，產(chǎn)生堅硬，堅固和耐用的效果。

連續(xù)碳纖維不僅增加了強度，而且還提供給用戶在需要更高耐久性的領(lǐng)域中有選擇性地進行加固。 由于核心流程的FFF性質(zhì)，您可以選擇逐層基礎(chǔ)來強化。 在每層中，有兩種增強方法：同心軸加固和各向同性加固。 同心填充加強了每層（內(nèi)部和外部）的外邊界，并通過用戶定義的循環(huán)數(shù)延伸到零件中。 各向同性填充在每層上形成單向復(fù)合增強，并且可以通過改變層上的增強方向來模擬碳纖維編織。 這些強化策略使航空航天，汽車和制造等行業(yè)能夠以新的方式將復(fù)合材料集成到其工作流程中。打印零件可以作為工具和夾具（這些都要求連續(xù)的碳纖維可以有效地模擬金屬性能。），如手臂末端的工具，軟顎，和CMM固定物。

碳纖維3D打印技術(shù)

1. 激光燒結(jié)技術(shù)
材料特點： 短纖增強尼龍、PEEK、TPU等粉末材料
工藝特點：以一定比例混合短切碳纖維和尼龍材料，通過激光燒結(jié)實現(xiàn)一體成型。

激光燒結(jié)碳纖維汽車進氣歧管功能樣機

2. 多射流熔融技術(shù)
材料特點： 短纖增強尼龍、PEEK、TPU等粉末材料
工藝特點：通過燈管加熱，在助溶劑作用下零件截面匯集足夠熱量實現(xiàn)熔化成型。

MJF技術(shù)打印纖維增強部件

3. FDM技術(shù)
材料特點：長纖增強PLA、尼龍、PEEK等絲材
工藝特點：通過FDM技術(shù)將長纖維填充進常規(guī)絲材中，起到增強作用。

FDM打印碳纖維增強PEEK機翼

碳纖維3D打印企業(yè)
1、牛津性能材料Oxford Performance Materials
OXFAB主要生產(chǎn)碳纖維增強PEEK材料，適用3D打印設(shè)備類型為SLS。目前在航天領(lǐng)域，牛津性能材料Oxford Performance Materials（OPM）已被選定為波音CST-100火箭飛船提供3D打印的結(jié)構(gòu)件，已經(jīng)開始出貨OXFAB材料打印的零部件。而2016年，復(fù)合材料巨頭美國赫氏（Hexcel）還完成了對牛津性能材料OPM的戰(zhàn)略投資。

OXFAB具有高度耐化學(xué)性和耐熱性，這對于高性能的航空航天和工業(yè)零部件十分關(guān)鍵。經(jīng)過范圍廣泛的機械試驗數(shù)據(jù)證明，OXFAB可以用于3D打印功能完整的、可直接使用的零部件。OPM正在履行與航空航天和工業(yè)領(lǐng)域客戶的一些關(guān)鍵開發(fā)合同，為商業(yè)和軍用飛機、太空、工業(yè)領(lǐng)域3D打印零部件，這些應(yīng)用能夠顯著減輕重量和節(jié)省成本。

而赫氏在全球設(shè)有多家工廠，生產(chǎn)制造了一系列先進材料-包括碳纖維，增強材料織物、預(yù)浸材料（或“預(yù)浸料坯”）、蜂窩、模具材料和飛機結(jié)構(gòu)件。獲得赫氏投資的OPM在向應(yīng)用端的結(jié)合更加順勢而為。

2、Stratasys公司
Stratasys公司主要生產(chǎn)碳纖維增強尼龍材料，適用3D打印設(shè)備類型FDM。增材制造技術(shù)領(lǐng)域的專家Stratasys公司用于FDM 3D打印技術(shù)的尼龍12CF材料，含有多達35%的碳纖維，因此各種屬性都非常優(yōu)異，比如最終拉伸強度為76兆帕（MPA），拉伸模量為7529兆帕，抗彎強度為142兆帕，足以在許多應(yīng)用中取代金屬，非常適合汽車、航空航天等行業(yè)。這種碳纖維增強熱塑性材料，用于生產(chǎn)高性能原型，能夠在設(shè)計驗證過程中經(jīng)受生產(chǎn)零件的嚴格測試 滿足生產(chǎn)環(huán)境的苛刻要求，并可應(yīng)用于生產(chǎn)線上的夾具制造。

Stratasys公司與邁凱輪建立了合作伙伴關(guān)系。這一合作伙伴關(guān)系已經(jīng)取得實質(zhì)性的進展，包括邁凱倫的一級方程式賽車上已經(jīng)安裝了一些3D打印制造的部件。

3、美國硅谷ArevoLabs公司
該公司來自著名的美國硅谷，主要業(yè)務(wù)包括提供工業(yè)級級的碳纖維3D打印機，用于3D打印的新型碳纖維和碳納米管(CNT)增強型高性能材料，以及借助獨有的3D打印技術(shù)和專用軟件算法，使用市場上現(xiàn)有的長絲融熔3D打印機制造產(chǎn)品級的超強聚合物零部件。這家公司在2015年后期推出了自己的首款機械臂3D打印平臺(RAM)。該平臺是由ABBRobotics公司的商用6軸機器人系統(tǒng)，F(xiàn)DM3D打印組件，終端效應(yīng)器硬件，以及一套綜合的軟件組成的，能夠使用高性能的碳纖維熱塑性料3D打印出復(fù)雜的復(fù)合部件。RAM搭載的是ABB公司最小型號的機械臂——IRB120，不過其所使用的可擴展軟件是可以匹配和支持更大的型號的，根據(jù)型號的不同，其構(gòu)建體積最小為1000立方毫米，最大可達8000立方毫米。末端執(zhí)行器的硬件包括一個用于處理高性能碳纖維增強熱塑性塑料的熱管理沉積頭。Arevo公司軟件套件將計算機輔助設(shè)計模型轉(zhuǎn)換為一組執(zhí)行增材制造的指令發(fā)送給機器人。該軟件提供了六度的自由度和多軸的工具路徑，機器臂在三維表面可變方向。一個精確的運動學(xué)仿真解釋材料沉積指令驗證和優(yōu)化打印過程。

4、EnvisionTEC公司
EnvisionTEC于2016年中推出SLCOM1工業(yè)級復(fù)合材料3D打印機，用來加工碳纖維織物或其他品種的加強型芳綸纖維織物，可選擇使用尼龍6、尼龍11、尼龍12、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚碳酸酯和很多其他材料予以增強。適用于航空航天、汽車、體育用品和醫(yī)療領(lǐng)域等高品質(zhì)3D打印零部件的定制化。量身定制出來的產(chǎn)品充分體現(xiàn)出碳纖維非凡的韌性、耐候性、減震性能、高耐磨性和高強度重量比。

5、Electroimpact公司
該公司的旗艦設(shè)備是自動纖維鋪放設(shè)備(AFP)。它采用了超薄碳纖維預(yù)浸帶或者預(yù)浸絲自動鋪放技術(shù)，可以實現(xiàn)十分精細的打印質(zhì)量。該設(shè)備具有一條長達6.4m的機械臂，頭部有16個類似于老式縫紉機上線轱轆的裝置，整個手臂被架置在12m長的軌道上，可以圍繞模型快速運動并同時進行打印，所以能顯著縮短零部件和原型產(chǎn)品的生產(chǎn)時間并降低成本。AFP的基本原理與常規(guī)FDM打印機類似，可以打印最長近8m的部件，在不平整和復(fù)雜的表面上，打印速度可以達到驚人的5Om／min。一些知名機構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)采購了AFP的設(shè)備和產(chǎn)品，比如美國宇航局(NASA)的馬歇爾航天就購買了AFP的打印品作為制造航天器的零件，同時波音也購買了多臺Electroimpact公司的AFP設(shè)備，希望用來制造科技機翼上的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

6、ImpossibleObjects
該公司擁有專利的復(fù)合材料3D打印工藝(CBAM)工藝，能將特定材料以層層堆積的方式成型，并用內(nèi)置熱源將它們?nèi)诤显谝黄�。打印完成后將不需要的材料移除即可。ImpossibleObjects公司將強度更高的材料用于3D打印技術(shù)，比如碳纖維、芳綸(Kevlar)和玻璃纖維等。打印完成后的零部件要比使用傳統(tǒng)熱塑性材料3D打印出來的部件強度要高2～10倍。由于其獨特的復(fù)合材料構(gòu)成，用戶也可以通過定制以用于各種應(yīng)用，包括熱和化學(xué)腐蝕等環(huán)境。Impossible Objects的創(chuàng)始人RobertSwartz認為，能夠打印碳纖維部件將讓3D打印技術(shù)在很多領(lǐng)域更加有用。目前由3D打印的塑料部件其性能并不好，而想要提高性能，就需要更好的材料。ImpossibleObjects研發(fā)了新工藝。新工藝避免打印碳纖維，而從碳纖維布開始。在碳纖維布的上方，打印機根據(jù)數(shù)字指令精準地噴涂清洗液，然后根據(jù)設(shè)計加入樹脂；將碳纖維布堆積并加熱，使樹脂融化，與碳纖維結(jié)合；最后，將未能與樹脂結(jié)合的碳纖維去除。Impossible0bjects已根據(jù)新工藝做出了可供出售的設(shè)備。當前的商業(yè)模式是為客戶提供高強度塑料產(chǎn)品的打印服務(wù)，他們正在將其CBAM技術(shù)設(shè)備商業(yè)化，下一步就將直接出售設(shè)備。

7、MarkForged
該公司在2年前推出了全球首款能打印復(fù)合材料的桌面3D打印機MarkOne。該設(shè)備的成型尺寸為305mm×160mm×160mm，能夠使用碳纖維和其它復(fù)合材料直接制作出在機械性能上足以與金屬部件媲美的“連續(xù)纖維加固”塑料類部件。這款機器有2個打印頭，一個會使用尼龍材料，另一個會使用碳纖維、玻璃纖維等高強度纖維材料，然后聯(lián)合制造出強度可以媲美甚至超過鋁制品的超強部件。MarkForged的CEOGregMark認為，碳纖維價格昂貴一個重要原因是它的制作工藝：復(fù)雜、耗時、人力需求大。Mark認為他們公司開發(fā)的新技術(shù)簡單到只要在電腦里設(shè)計好部件，點擊按鈕，幾個小時后就部件就出來了。由于設(shè)備的應(yīng)用廣泛、實用性極強，該公司在2015年實現(xiàn)了400％的收益。

8、GermanRepRap
總部位于德國慕尼黑的GermanRepRap公司以其高品質(zhì)的3D打印機及3D打印線材而知名。隨著行業(yè)的不斷增長，2015年7月20日，該公司宣布又推出一款新的3D打印碳纖維線材Carbon20。公司介紹稱，這是一款可以用于3D打印功能性部件的線材。Carbon20線材中含有20％的碳纖維，這也是它名字的由來。它十分適合3D打印那些需要擁有可靠的剛性、硬度的工業(yè)零部件。

9、東京理科大學(xué)
松崎亮介團隊成功地開發(fā)了能3D打印碳纖維復(fù)合材料的3D打印機。把長絲碳纖維浸泡在熱塑性樹脂里，進而打印出立體造型。用試驗片進行測試，其拉伸強度較熱塑性樹脂提高了6倍。今后，將進一步提高碳纖維的密度，打印出更高強度的的復(fù)合材料造型。由超級樹脂工業(yè)(東京都稻城市)、日本大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)、宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(JAXA)共同組成的經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省戰(zhàn)略性基礎(chǔ)技術(shù)事業(yè)的成果。用碳纖維和熱塑性樹脂混合制作出3D打印頭，然后向打印頭提供浸泡過樹脂的碳纖維。打印之前，碳纖維需要先加熱，使樹脂能更容易在纖維與纖維之間滲透擴散。擠出來的樹脂可以持續(xù)不斷地提供給3D打印用的碳纖維。纖維與樹脂的混合比例，可以根據(jù)打印需求進行調(diào)整。

當碳纖維與熱塑性樹脂聚乳酸的組合使用時、體積纖維的占有率為6.6％，拉伸強度達到是200MPa，增加了6倍。彈性模量達到20GMPa，增加了4倍�，F(xiàn)階段，該團隊已完成打印頭的制作并能成功進行3D打印。今后，他們目標將碳纖維密度提高10倍左右，以進一步提高打印精度。

當今，增材制造領(lǐng)域已經(jīng)呈爆發(fā)式成長，一些打印機提供了碳纖維打印的能力。如果說3D打印行業(yè)要獲得千億美金制造市場的更多份額，3D打印技術(shù)就需要在設(shè)備工藝與材料兩方面發(fā)力，碳纖維的種種優(yōu)勢性能體現(xiàn)出這種目標變成現(xiàn)實的可能性，可以肯定的是，要跟傳統(tǒng)制造業(yè)競爭，復(fù)合材料必將是3D打印成為主流技術(shù)的背后驅(qū)動力之一。

來源： 中科院寧波材料所