Making a Composite Mould for a Carbon Fibre Part from a 3D Printed Pattern

從 3D 列印圖案製作碳纖維零件的複合模具

來源：南極熊3D列印網

3D 列印碳纖維可能是繼金屬之後第二個最受追捧的增材製造技術。有賴於增材製造領域的最新發展，人們終於實現能夠使用各種難以捉摸的材料進行列印的現實。然而，並非所有碳纖維 3D 印表機都是相同的 —— 一些機器使用微觀短切纖維，來增強傳統的熱塑性塑膠，而另一些機器使用鋪設在熱塑性基體（通常填充有短切纖維）內部的連續纖維來在零件內部創建「骨架」。

碳纖維由對齊的碳原子鏈組成，具有極高的拉伸強度。單獨使用它們並不是特別有用 - 它們的薄而脆的特性使它們在任何實際應用中都很容易斷裂。然而，當使用粘接劑將纖維分組並粘合在一起時，纖維會平滑地分佈負載，並形成一種強度極高、重量輕的複合材料。這些碳纖維複合材料以片材，管材或客製化的成型特徵的形式出現，並用於航空航太和汽車等行業，強度與重量比占主導地位。通常，熱固性樹脂用作粘合劑。目前碳纖維 3D 印表機，已被微信小程式「全球 3D 列印產品庫」收錄，可以進去搜「碳纖維」，找到全球的碳纖維 3D 印表機。

3D 列印技術的最新發展，使公司能夠使用碳纖維進行列印，儘管使用的粘合材料與標準碳纖維工藝不同。樹脂不會熔化，因此不能透過噴嘴擠出 —— 為了解決這個問題，3D 印表機用易於印刷的熱塑性塑膠替代樹脂。雖然這些組件不像樹脂基碳纖維複合材料那樣耐熱，但它們確實受益於纖維的強度。

目前有兩種碳纖維列印方法：短切碳纖維填充熱塑性塑膠和連續碳纖維增強材料。短切碳纖維填充熱塑性塑膠是通過標準 FFF（FDM）印表機進行列印，由熱塑性塑膠（PLA、ABS 或尼龍）組成，這種熱塑性塑膠由微小的短切原絲進行增強，即碳纖維。另一方面，連續碳纖維製造是一種獨特的列印工藝，其將連續的碳纖維束鋪設到標準 FFF（FDM）熱塑性基材中。

短切碳纖維填充塑膠和連續纖維製造，雖然同樣使用碳纖維，但它們之間的差異十分巨大。瞭解每種方法的工作原理及其理想的應用，將有助於你做出明智的決策，確定在增材製造工作中應採取哪些措施。

採用短切碳纖維填充熱塑性塑膠製成的 3D 列印碳纖維。來源：Markforged

短切碳纖維基本上是標準熱塑性塑膠的增強材料。它允許公司以更高的強度列印，一般來說性能較弱的材料。然後將該材料與熱塑性塑膠混合，並將所得混合物擠壓成用於熔融長絲製造（FFF）技術的線軸。對於使用 FFF 方法的複合材料，材料由短切纖維（通常是碳纖維）與傳統熱塑性塑膠（如尼龍、ABS 或聚乳酸）混合而成。儘管 FFF 工藝保持不變，但短切纖維增加了模型的強度、剛度，並改善了尺寸穩定性，表面光潔度和精度。

這種方法並非始終沒有缺陷。一些短切纖維增強細絲透過用纖維對材料，調節過飽和度來強調強度。這會對工件的整體品質產生不利影響，從而降低表面品質和零件精度。原型和最終使用的組件，可以使用短切碳纖維製造，因為它提供了內部測試，或面向客戶的組件所需的強度和外觀。

碳纖維 3D 列印使用連續纖維進行增強。來源：markforged

連續碳纖維是真正的優勢所在。這是一種經濟有效的解決方案，可以用 3D 列印複合材料組件，替代傳統的金屬組件，因為它僅使用重量的一小部分，就能實現類似的強度。它可以使用連續長絲製造（CFF）技術把材料鑲嵌在熱塑性塑膠中。使用這種方法的印表機在列印時，透過 FFF 擠出的熱塑性塑膠內的第二個印刷噴嘴，鋪設連續的高強度纖維（例如碳纖維，玻璃纖維或Kevlar）。增強纖維構成印刷部件的「主幹」，產生堅硬、堅固和耐用的效果。

連續碳纖維不僅增加了強度，而且還提供給使用者在需要更高耐久性的領域中，有選擇性地進行加固。由於核心流程的 FFF 性質，你可以選擇逐層基礎來強化。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（內部和外部）的外邊界，並透過用戶定義的迴圈數延伸到零件中。各向同性填充在每層上形成單向複合增強，並且可以透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太，汽車和製造等行業，能夠以新的方式將複合材料，整合到其工作流程中。列印零件可以作為工具和夾具（這些都要求連續的碳纖維，可以有效地類比金屬性能。），如手臂末端的工具，軟顎，和 CMM 固定物。

當今，增材製造領域已經呈爆發式成長，一些印表機提供了碳纖維列印的能力。但是，你最好注意一下你所購買的複合材料，以及每一種纖維已經開放的應用。除非它指明它是連續的碳纖維，否則這種材料幾乎肯定是由切碎的碳纖維，增強長絲組成的。雖然兩者都提供獨立的價值，但能夠同時列印兩者是滿足你所有應用需求的最佳方式。