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拉伸强度可达800Mpa！显著提升零件机械性能的连续纤维3D打印技术

来源：世展网分类：陶瓷行业资讯 2023-07-18 16:31 阅读：3415

碳纤维由沿着细长晶体结构方向排列的碳原子组成，直径为5-10微米。这些纤维既可以单独使用，也可以将数千根碳纤维单丝捆束起来组成纤维束加以使用。在现代制造业中，碳纤维通常会与其他材料结合构成复合材料来使用。在与热塑性或热固性树脂基体相结合时，碳纤维束可以采用多种形式用于工程应用。最常见的应用是，将它们缠绕在心轴上成管状，将它们拉模以挤压成型，或者将它们编织成带状物和织物。上述碳纤维组合方式可以产生超高强度的自定义的几何形状，广泛用于航空航天、汽车、军事和其他行业。碳纤维组合后可增强机械性能以及耐热和耐化学腐蚀特性，使其成为高级制造的理想选择。碳纤维具有很强的刚性和抗拉伸强度，而相对密度却远低于钢和铝。碳纤维的强度重量比极高，因此被广泛用于航空航天和汽车行业。随着3D打印技术的成熟，制造商一直在努力融入碳纤维材料以提高零件的强度和耐用性。最常见的两种实现方式是短纤维填充材料3D打印和连续纤维3D打印。接下来，我们将结合Markforged 基于材料挤出工艺的连续碳纤维3D打印技术，从材料性能、主要优点以及如何合理优化连续碳纤维3D打印零件，几个方面进一步了解连续碳纤维3D打印。基于材料挤出工艺的连续碳纤维3D打印连续碳纤维是采用热塑性涂层的长碳纤维束。然后，使用连续纤维增强 (Continuous Fiber Reinforcement, CFR) 过程将这些纤维束铺设到热塑性 FFF 3D打印零件中。在此过程中，通过加热的喷嘴挤出材料，将热塑性涂层热熔合到零件上。在3D打印零件的每一层中，纤维可以按照各种2D方向放置。用连续碳纤维增强的零件其强度会提高，可与采用传统复合材料铺陈的方式制造的零件相媲美。而在短纤维填充线材中，短纤维之间不连续的特性会导致压力通过基体材料传递，从而机械强度的相应提升并不明显。在CFR零件中，拉伸和弯曲负荷会施加到长纤维束上，对基体聚合物的负荷将降到最低，从而带来大量机械性能的提升。零件可以采用多种不同的方式进行增强，以针对不同的负荷条件进行优化。连续纤维增强技术不仅包括碳纤维，还包括连续玻璃纤维、Kevlar 和高强度高温 Fiberglass 等材料。

动态纤维含量在使用连续纤维增强工艺时，用户可以通过两种方式动态控制零件中的纤维量：更改一层中的纤维量；以及指定要增强的层数。此控制使得工程师能够根据所需的强度精确地进行3D打印。

主要优点与短纤维填充线材所带来的递增式改进不同，连续纤维能够实现零件性能的跨越式改进。连续纤维的优点包括：+能够媲美与铝合金相当的强度，连续碳纤维增强的3D打印件在实际应用中可以取代机加工的零件。+增强的刚度、抗冲击性、耐热性和耐用性可以通过一系列特定连续纤维增强材料（包括 Kevlar 和 Fiberglass）来实现。+连续纤维补充填充线材。例如，Markforged 在Onyx基体材料中使用短碳纤维来提高3D打印零件的精度和表面光滑度，使用连续碳纤维将强度和刚度提高了十倍。

根据负载需求对纤维进行战略布置与纤维填充线材不同，连续纤维增强复合材料的制造通过连续纤维增强的额外工艺来实现。CFR工艺使得用户可以在其零件中灵活地实现连续纤维；这样，用户可以更好地控制要添加到零件中的碳纤维量。虽然可以随意地使用连续纤维填充3D打印零件，但只有在根据负载需求对纤维进行战略布置后才能实现最好的效果。经过优化的零件可以使用较少的材料获得相同的预期效果，这样还可以缩短制造时间和减少制造成本。在考虑使用连续纤维时，可控性是一项关键优势。该可控性可以通过两种关键方法来落实：1. 确定是否在零件的每一层中放置连续纤维2. 确定每个需要增强的打印层的增强策略零件常用的连续纤维技术示例夹芯板像传统的复合材料铺设部分一样，在顶部和底部添加连续纤维。在大多数弯曲负载条件下，零件表面的应力集中程度是最高的。夹芯板用于抵抗Z方向的力。外壳外壳与夹芯板相似，但在每一层的壁内使用连续纤维构成的闭环。为了进行外壳增强，将连续纤维放置在每层的外围，以抵抗沿 XY 平面的力。条带在零件关键区域采用添加了连续纤维“条带”的夹芯板。条带可在较高的夹芯板中使用，用于分散负荷，从而降低填充物屈曲的风险。

连续碳纤维是Markforged独有的超高强度材料，将其铺设到 Onyx 等复合基材上时，可以生产出强度与 6061-T6 铝合金相媲美的零件。它具有极高刚度和超高强度，可以采用 Markforged 3D 打印机自动铺设成各种几何形状。Markforged 打造了可无缝协作硬件、软件和材料的增材制造平台The Digital Forge，旨在集成到制造用户现有的制造生态系统中，消除设计与功能性零件之间的障碍。声明：文章内容来源于Markforged 3D科学谷，仅作分享，不代表本号立场，如有侵权，请联系小编删除，谢谢！

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