超越金属：连续碳纤维增强3D打印技术及应用价值分析

作者简介：

张磊Allen Zhang，国内最早一批3D打印从业者，12年工业3D打印经验；原SSYS大客户经理、最佳销售，国内唯一一台OBJET1000售出纪录保持者；2019年惠普3D打印最佳代理商，现任凯奔三维科技运营总监。丰富的3D打印顾问经验，曾参与和主持过的3D打印项目包括华为、中兴、伟创力、美的、上汽通用五菱、一汽、福建奔驰、格力、大疆、海尔、比亚迪、思科、富士康、长安汽车、TCL等等，走访过国内过三分之二的汽车主机厂3D打印试制部门。

1塑料3D打印为什么长期以来主要被用于原型打样

     塑料3D打印技术种类众多，但从材料类型来看主要可以分为三类：光固化技术(材料为液态光敏树脂)、FDM热熔类技术(材料为丝状塑胶条或塑胶粒)以及PBF尼龙粉床类技术(材料为尼龙粉末)。我们以注塑ABS材料做参照，下表显示了不同塑料3D打印相比注塑ABS的力学性能：

       从1986年DDD公司推出SLA至今，塑料3D打印已经发展了35年。回顾整个过程我们不难发现，尽管3D打印成本在不断下降，打印效率有所提升，但最基本的材料性能，没有本质的进步。CLIP和MJF在推出时引起了行业的巨大关注，被认为是显著推动了塑料3D打印走向直接制造，但即使这两种技术，也只能做到接近同等级注塑材料的性能; 第一代FDM技术尽管能够使用PEEK、ULTEM等高端塑料，但由于是层层堆积的工艺，其强度仍无法与同牌号的注塑或者机加件相提并论。

这也是为什么在我国，塑料3D打印目前仍主要被用于样品原型打印，普及比较快的应用如工业手板、鞋模、齿科导板、牙模等应用，本质上都属于临时性应用的原型。当然双固化材料、PBF尼龙粉床技术在小批量零件制造中有少量应用，但也仅限于某些非受力的零件。

视频 | SLA中强度较好的黄色类ABS树脂，强度与注塑件仍相去甚远

2连续碳纤维增强技术是塑料3D打印领域的重大进步

       2012-2017年3D打印热炒期间，很多人担心说：3D打印来了，模具注塑是不是要被取代了？到现在2022年，业内已经很少再有这种提法。因为大家认识到：以当前的塑料3D打印的效率、成本、精度情况，还不具备与注塑竞争的可能性，这项技术还有很长的路要走。但我们发现，3D打印在实现替代注塑的终极目标之前，可以先成为一台智能机床，替代部分CNC的工作。当然前提是：3D打印出来的零件要足够坚固耐用！

       有没有哪一种塑料3D打印材料的性能可以超过注塑甚至是金属？ 作者看了12年了，到目前只看到一种技术：那就是Markforged公司在2015年推出的连续碳纤维复合3D打印技术。

视频 | Markforged连续碳纤维3D打印零件强度展示

       连续碳纤维增强3D打印技术可以看做是第一代FDM热熔技术的进化版。第一代FDM技术使用的是单一材料，如PLA/ABS/PC等。连续碳纤维3D技术打印时使用的是复合材料：表面使用Onyx短切尼龙基材，内部使用连续纤维填充，从而大幅的提升打印零件强度。纤维填充比例决定打印零件的强度，在40%填充时拉伸强度已经可以超过6061 T6铝合金，在100%纤维填充时拉伸强度是6061 T6铝的2倍，是标准ABS的23-25倍。

图 | 连续碳纤维3D打印不同填充时的拉伸强度

       需要指出的是，碳纤维3D打印分为短切纤维和连续纤维填充，短切纤维好比盖房子时候砌砖，连续纤维填充比如拉钢筋。短切纤维3D打印拉伸强度通常在60-80Mpa，而连续纤维3D打印的强度可达800Mpa，是真正高价值的技术。

视频 | 纤维增强3D打印与其他3D打印抗折弯强度对比

3当制造的零件足够强时，3D打印数字制造的潜力才会被真正解锁

      SLM金属3D打印过去几年在国内得到了快速发展，核心原因是大家发现SLM打印的零件强度可与锻造相媲美，可以用于快速灵活制造各类复杂、轻量化零件，各种基于3D打印的新型的设计方法如创成式设计、拓扑优化、点阵结构等开始被采用。

同样，连续碳纤维增强3D打印实现了塑料3D打印零件性能的飞跃，自2015年Markforged将该技术商业化以来，我们发现各种高附加价值、直接制造的应用快速涌现：

图 | 美国空军采用连续碳纤维快速制造备件

图 | DANA汽车全球部署碳纤维打印机用于零件快速制造

图 | 美军后勤保障部队中的碳纤维打印机

图 | 碳纤维3D打印机械手，800个机加零件优化为70个3D打印零件

图 | 碳纤维3D打印的海洋无人机零件，强度超过铝合金，质量更轻

图 | 小型飞行器中替代金属部件

图 |冲浪鳍中的碳纤维3D打印部件

4Markforged碳纤维3D打印让高强度零件制造变得异常简单

       连续碳纤维3D打印仍属于是FDM热熔类技术，故在使用简便性和流程方面，相比光固化和尼龙粉末类技术会简单很多(光固化3D打印通常需要酒精清洗零件并人工打磨支撑点，尼龙粉末类技术会产生粉尘并需要在打印完成后做喷砂处理)。由于具备高强度、操作简便、智能化、低成本等特点，Markforged已经成为过去5年全球成长最快的3D打印品牌，尤其是这种成长是在3D打印炒作泡沫破灭之后，可见全球用户对该技术的欢迎程度。

 图 |Markforged 2015-2020年成长速度

连续碳纤维3D打印具备高强度、小型灵活、无需特别环境和使用经验等特点。基于该技术，工程师可以快速灵活制造各类高强度零件，而无需依靠机加部门或者外包供应商，已经成为一台事实上的小型智能机床，同时表面质量相比第一代的FDM有显著提升。

 视频 |Markforged碳纤维3D打印机流程

5总结

      应该说连续碳纤维增强技术是3D打印领域的重大进步，解决了过去塑料3D打印强度不足的问题。经过连续纤维填充后的材料拉伸强度达到800MPa，是6061 T6铝合金的2倍，标准ABS的23-25倍，同时密度只有1.2。当3D打印的材料性能足够强时，各种新的应用会被开发出来。连续碳纤维3D打印在欧美和日本普及较快，在航空航天、国防军事、汽车制造、机器人、无人机/无人船、石油化工、工业制造、教育科研等领域具有很高的应用价值。

       当然任何技术都不是完美的，连续纤维3D打印技术由于仍属于FDM类技术，加工效率不高，适合单件或少量零件制造；此外由于在XY和Z向存在力学性能差异，并非所有的结构都适合。凯奔三维作为Markforged国内代理商，希望通过我们的经验，帮助国内用户成功采用这项高附加价值的技术，为推动我国制造业数字化变革尽一份力。

更多连续碳纤维和Markforged资讯，欢迎同我们联络。13380137827