最新技術：碳纖維3D打印，第二部分
中國3D打印網12月24日訊，在我們有關碳纖維3D打印的系列的第一部分中，我們為廣大網友講解了關于碳纖維3D打印的材料，以能某些特性以及其制造方式在本期，我們就碳纖維目前在3D打印行業中的使用情況進行講述。
延伸閱讀：《最新技術：碳纖維3D打印，第一部分》
3D打印中最廣泛使用的碳纖維形式是短切碳纖維絲。有多種短切碳纖維混合物可供選擇，3DXTECH提供了一些最多樣化的類型，其中包括高溫熱塑性塑料作為基質材料。例如，可以購買填充有短切碳纖維的PA，PEKK，PEEK和PEI（ULTEM）細絲。
FFF用Innofil3D PET碳纖維增強長絲制成的歧管
在短切碳纖維長絲中，碳纖維段與熱塑性粒料混合，然后擠出成適合擠出3D打印的長絲。因為碳纖維是斷裂的，而不是連續的，因此它只能在那些很小的碎片所在的位置提供碳纖維的剛度。
然而，將碳纖維引入熱塑性長絲中可以改善其強度和剛度，但是也可能具有負面影響。一組研究人員發現，除了所需的強度外，PEEK-碳纖維復合材料的孔隙率更高，印刷層之間的粘合性更差。另一組發現用于立體光刻的樹脂短切碳纖維具有相似的結果，包括增加了脆性。
這并不意味著切碎的碳纖維長絲（或樹脂）在3D打印中沒有價值，特別是因為它比我們將要討論的技術便宜得多。但是，我們將在本系列的第三部分中看到如何通過一些非常巧妙的思考來改進這些材料。
2014年，Markforged向世界推出了連續長絲制造（CFF）。在CFF中，碳纖維預先浸漬有熱塑性尼龍，該熱塑性尼龍是從特種擠出機中沉積的。然后用于增強塑料零件，包括公司自己的短切碳纖維長絲Onyx。
最近，一家名為Anisoprint的俄羅斯公司已將自己的連續碳纖維印刷版本稱為復合纖維共擠出（CFC），進行了商業化。與CFF不同，其預浸料具有一個輸入和一個輸出，CFC使用兩個輸入和一個輸出。一個輸入專用于增強纖維，另一個輸入用于喂入熱塑性塑料。干纖維被送入系統中，并在其中浸入液態的熱固性樹脂。在印刷過程中，熱固性材料與傳統的熱塑性長絲固化并一起擠出。然后，滲透到增強纖維中的熱固性基體與長絲粘合。
CFC的工作方式
結果，不僅很少有機會在預浸料中引入氣泡或空隙，而且還開拓了CFC可以使用的多種熱塑性塑料（到目前為止，PETG，ABS，PC，PLA和PA） 。
還可以在CFC中控制沉積速率，以生成有趣的結構和特性，這些特性和特性是傳統復合材料制造所無法實現的，例如晶格形狀。在傳統情況下，將一根碳絲束穿過另一束碳絲束時，該區域的厚度將增加一倍。使用CFC，可以減少擠出的熱塑性塑料，同時仍然沉積碳纖維，從而減少該區域的塑料量。
強度在孔周圍均勻分布，但在第一部分中沒有分布在整個結構中，在第二部分中，整個部分以交叉方式加固。
反過來，這增加了所謂的“纖維體積比”，相對于復合材料的總體積而言，存在的纖維增強量。較高的纖維體積比通常意味著改善的機械性能。因此，由于這些碳纖維以3D打印的晶格結構縱橫交錯，因此纖維體積比和強度均增加。
在航空航天領域，工程師尋求的纖維體積比率最高為60％左右。但是，使用其他碳纖維3D打印技術時，該比率接近30％至40％。沒有晶格結構，CFC可以達到約45％，在碳纖維重疊的點上，該比率增加了一倍，即比傳統復合材料更強。
由于在一個方向上的熱塑性沉積最少，該零件的材料更少，但強度更高。
在編織碳纖維中，多層單向纖維交錯交錯以模擬各向同性，最終以犧牲多余材料為代價提供全向強度。但是，使用CFC時，僅在必要時可以增加材料和強度。因此，Anisoprint強調碳纖維的各向異性是一種優點，而不是一種弱點，這項目技術被命名為“ Anisoprint”。自Markforged和Anisoprint進入市場以來，第三個挑戰者以其自己的連續碳纖維印花形式出現了。在Formnext 2019召開之前，Desktop Metal推出了一項稱為微自動光纖替換（μAFP）的技術。 μAFP依靠兩個打印頭：一個放置熱塑性長絲，然后將一個換刀器交換到另一個，放下預浸料帶，類似于第一部分中簡要提到的自動纖維放置技術。
首先將碳纖維熱塑性塑料帶加熱到高于塑料的熔融溫度。然后，輥將膠帶壓在打印的部分上。熱量，壓力以及冷卻后的印刷零件的結合使膠帶可以使零件熔融。Desktop Metal正在通過Fiber HT和Fiber LT 3D打印機發布該技術。 LT的年度訂購價為3,495美元，可打印PA6-碳纖維或PA6-玻璃纖維帶。 HT（每年5,495美元）不僅可以使用這些膠帶進行打印，還可以與碳纖維或玻璃纖維結合使用的PEEK或PEKK。 HT也有兩個打印頭，而LT只有一個。此外，Fiber HT還具有使用其軟件中的高級設置來管理纖維方向的能力，可以實現小于1％的孔隙率，并且可以以高達60％的纖維體積比進行打印。
大幅面和實驗性碳纖維3D打印
同樣在Formnext上，Anisoprint推出了其生產規模的CFC系統，即Anisoprint ProM IS500。該系統具有600 mm x 420 mm x 300 mm的構建體積，該系統具有可打印PEEK和PEI的加熱構建室，并且可以進行自動化校準和其他生產質量功能。借助四個可互換的打印頭，除碳纖維外，它還將能夠結合不同的復合材料。該系統還將配備用于優化晶格結構印刷的軟件。 Anisoprint的目標是在2020年底交付其首批ProM IS 500系統。雖然這是俄羅斯公司的第一臺生產級碳纖維3D打印機，但它可能面臨激烈的競爭。還有許多其他公司正在以自己獨特的方式從事碳纖維3D打印的工作。由于它們與此處討論的類型截然不同，因此我們將在這個系列的下一章中對其進行探討。
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