碳纖維：最好的3D打印材料之一

如果說70億美金的3D打印行業(yè)的確要獲得千億美金的制造市場的一部分份額，3D打印技術(shù)就需要在設(shè)備工藝與材料兩方面發(fā)力。這方面Carbon與惠普正在通過他們的工藝來展示這種可能性變成現(xiàn)實(shí)。

材料領(lǐng)域，材料化學(xué)公司從杜邦到伊士曼紛紛投身到3D打印材料的研究中。而根據(jù)市場咨詢公司IDTechEx,到2025年材料市場有望達(dá)到83億美金的市場份額，3D科學(xué)谷認(rèn)為雖然光固化目前占據(jù)材料市場的最大市場份額，然而要跟傳統(tǒng)制造業(yè)競爭，復(fù)合材料將是3D打印成為主流技術(shù)的背后驅(qū)動力之一。點(diǎn)擊GE視頻，了解復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的重要性。

而復(fù)合材料領(lǐng)域，對于制造業(yè)來說最重要的一個(gè)領(lǐng)域就是碳纖維增強(qiáng)材料，可以提供與金屬相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，又非常輕，碳纖維在需要考慮重量與強(qiáng)度比的行業(yè)包括航空航天、汽車領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。

碳纖維最好的3D打印材料之一

碳纖維從1970年后就開始進(jìn)入工業(yè)制造領(lǐng)域，應(yīng)用到汽車、運(yùn)動品、工程與電子領(lǐng)域。而空客的A350 XWB包括了52%的碳纖維增強(qiáng)（CFRP)部件，波音787 Dreamliner包括了50%的碳纖維增強(qiáng)（CFRP)部件。汽車領(lǐng)域的寶馬BMW i3也大量使用碳纖維增強(qiáng)部件。

圖片：飛機(jī)上碳纖維比例逐年提高，來源Hexel

傳統(tǒng)工藝制造碳纖維的過程十分復(fù)雜并需要大量的人力勞動。3D打印為碳纖維制造帶來了新的領(lǐng)域，更方便，并不需要大量的人工。

桌面碳纖維打印

通過FDM熔融擠出的方式打印碳纖維需要將碳纖維與熱熔塑料一起打印。在這方面，荷蘭的colorFabb公司的XT-CF20材料里面含有伊士曼化工的 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。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(fù)載的同時(shí)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(shí)也具有優(yōu)異的層粘合，而碳纖維的加入不僅增加了它的剛性和尺寸穩(wěn)定性。另外一家公司， Proto-pasta的碳纖維增強(qiáng)材料PLA，一種玉米淀粉提取的衍生塑料和碳纖維復(fù)合材料。

PLA可能是最容易打印的，ABS與PETG強(qiáng)度更大，尼龍難以打印，但比起其他材料耐磨性最好。如果要與工業(yè)級零件競爭，PEEK應(yīng)該是理想的選擇，PEEK最強(qiáng)，最耐熱，化學(xué)和抗潮濕性能最好。桌面型打印機(jī)方面，Markforged的設(shè)備還可以用來制造尼龍?zhí)祭w維增強(qiáng)材料。另外一家公司，Orbital Composites也開發(fā)出了可以打印復(fù)合材料長絲的設(shè)備，并且還準(zhǔn)備在外太空零重力情況下打印。

工業(yè)級碳纖維打印

來自美國硅谷的Arevo Labs不僅提供碳纖維工業(yè)級3D打印機(jī)，還提供3D打印的新型碳纖維和碳納米管（CNT）增強(qiáng)型高性能材料，而且使用其專有的3D打印技術(shù)和專用軟件算法可以使用市場上現(xiàn)有的長絲融熔3D打印機(jī)制造產(chǎn)品級的超強(qiáng)聚合物零部件。

Arevo Labs推出了一個(gè)可擴(kuò)展的以機(jī)器人為基礎(chǔ)的增材制造RAM設(shè)備用來打印復(fù)合材料。3D科學(xué)谷曾介紹過該平臺由一個(gè)市售的機(jī)械臂，復(fù)合沉積端執(zhí)行器和一個(gè)全面的軟件套件。

目前軟件是專門針對ABB IRB 120六軸機(jī)器人，但可擴(kuò)展的軟件也可以支持更大的ABB機(jī)器人型號和尺寸，根據(jù)機(jī)器人的大小，打印體積可以從1000立方毫米達(dá)到8立方米。

Impossible Objects的CBAM 工藝將強(qiáng)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(qiáng)度要高2倍—10倍。 由于其獨(dú)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的工作原理是當(dāng)CAD文件被切圖成獨(dú)立的位圖層，打印機(jī)就將熱塑性液滴按照位圖模型打印到復(fù)合材料的基層上，隨后基層材料中那些沒有被液滴黏住的粉末被吹吸掉，只留下根據(jù)位圖模型形成的粘結(jié)劑與復(fù)合材料。

比桌面型設(shè)備打印速度快10倍，Impossible Objects的CEO Robert Swartz相信他們的打印速度可以提高到100米每分鐘。 目前設(shè)備可以打印的尺寸是12 in x 16 in (305 mm x 406 mm)。另外，3D科學(xué)谷了解到Impossible Objects的設(shè)備還處于測試驗(yàn)證階段，定于2017年正式上市 。

除了Impossible Objects的CBAM技術(shù)， EnvisionTec推出了 SLCOM 1 3D打印機(jī)，該打印的核心技術(shù)是EnvisionTec擁有專利的技術(shù)。

EnvisionTEC與2016年中推出SLCOM™ 1工業(yè)級復(fù)合材料3D打印機(jī)，SLCOM™可以用來加工玻璃纖維織物、碳纖維織物或其他品種的加強(qiáng)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(qiáng)。適用于航空航天、汽車、消費(fèi)品、體育用品和醫(yī)療領(lǐng)域潛在應(yīng)用的高品質(zhì)3D打印零部件的定制化。這些復(fù)合材料可度身定制，使其具備非凡的韌性、耐候性、減震性能、不易燃性、高耐磨性和高強(qiáng)度重量比。

Electroimpact開發(fā)的 AFP（Automated Fiber Placement）超薄碳纖維層鋪疊技術(shù)，碳纖維打印設(shè)備很精細(xì)，但價(jià)格也非常昂貴，設(shè)備有著一個(gè)長達(dá) 6.4 米（21 英尺）的機(jī)械臂，頭部有 16 個(gè)類似于老式縫紉機(jī)上線轱轆的裝置，整個(gè)手臂被架置在 12 米長的軌道上，可以圍繞模型運(yùn)動進(jìn)行快速打印，大大節(jié)約零部件和原型產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間，降低成本，使用的材料則是兼具堅(jiān)固和輕質(zhì)的碳纖維，請關(guān)注南極熊3d打印網(wǎng)。

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來源：3d科學(xué)谷