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碳纖維3D打印機原理詳解以及行業(yè)應(yīng)用分享

2020-07-17

碳纖維3D打印可能是繼金屬3D打印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(jìn)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”。

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。

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(biāo)準(zhǔn)FFF（FDM）打印機進(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)FFF（FDM）熱塑性基材中。

Mark Two 3D打印機就是其中的典型代表機型。整機定位在桌面級產(chǎn)品，長寬高分別為575x322x360mm，成型尺寸為305x160x160mm。其特點在于，一是可使用碳纖維作為打印材料，二是使用復(fù)合材料，直接制作高強度的部件和工具。該機型采用雙擠出頭，可兼容碳纖維、玻璃纖維、尼龍和PLA耗材；制作實際部件時能夠選擇合適的材料，兼顧強度和成本；3D打印的部件甚至能夠取代經(jīng)過金屬加工的部件。

短切碳纖維基本上是標(biāo)準(zhǔn)熱塑性塑料的增強材料。它允許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。

當(dāng)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。碳纖維材料為3D打印技術(shù)在制造業(yè)應(yīng)用提供更多可能。將碳纖維添加到3D打印耗材中，可有效改善耗材的抗拉強度、耐磨性、耐高溫，因為碳纖維比強度高，同時減輕了3D打印模型的重量，在航空航天/汽車/軌道交通等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景。

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