尽管碳纤维3D打印已经问世十多年，但它最近几年才快速兴起。目前，市面上现有的许多3D打印机制造商都在争先恐后地宣传“碳纤维3D打印”概念，但事实上，各种碳纤维之间也存在差别。

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。

3D打印中的碳纤维

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。随着3D打印技术的成熟，制造商一直在努力融入碳纤维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线材和连续纤维。

短纤维填充线材

传统熔丝加工 （Fused Filament Fabrication, FFF） 聚合物可以与短碳纤维（通常长度在100微米的量级上）混合，并像标准线材一样打印。在 3D 打印行业中，最常见的应用是使用短碳纤维填充线材，以尼龙或 ABS 塑料作为基材。然而，并非所有填料都是用于增强机械性能的纤维，实际上，有一些填料是用于改善流动性、外形美观甚至是降低成本。

短碳纤维填充线材通常由均匀分布的碳纤维组成，其重量仅占5%至35%。这些纤维是从纤维束铣削或切削而成的短纤维，其尺寸为直径5-10微米，长度50-250微米。在线材生产以及打印过程中，材料挤出工艺的流动性使得纤维填料的方向与打印的方向一致。这意味着要提高抗拉强度和弯曲强度，打印方向最好与零件的外壳方向一致。

这项工艺的主要优点：

1、强度/刚度的轻微增长这直接使零件强度更大、刚性更强。

2、提升热稳定性碳纤维的热膨胀系数低，有助于减少打印过程中的翘曲。此外，这还有助于防止打印零件在高温环境下变形的情况。

3、更高的打印零件精度机械稳定性和热稳定性均得到提高，这意味着，采用碳纤维填充的零件相比未填充的零件来说，尺寸精度更高。

短碳纤维具有明显的优势，包括它所占的体积比。这随之带来了一个问题，为什么所有商用3D打印线材都没有办法尽可能多地填充碳纤维？

原因是碳纤维给材料生产工艺和打印工艺都带来了许多挑战，例如，对线材均匀度有不利影响：当硬质填充材料的数量超过了某个临界点，在打印过程中会导致表面光洁度比较差甚至是质量缺陷。此外，碳纤维填充线材具有易磨损性，这会导致针对普通非填充FFF线材设计的打印机挤出组件快速磨损。这种情况可以通过更强化的零件和日常维护来进行防范，但会增加设备成本。纤维含量过高也会阻碍物料流动，并会增加喷嘴堵塞的风险，导致必须经过维护之后才能使用机器。

许多线材制造商对这些缺点视而不见，在填充线材中添加尽可能多的短碳纤维。制作出的零件虽然获得了强度，但却牺牲了表面光洁度和机器稳定性。

美国碳纤维3D打印机制造商Markforged 的碳纤维增强 （Carbon Fiber Reinforcement, CFR）在设计填充线材 Onyx 过程中规避了这些有问题的模式。大多数填充线材制造商都以牺牲可打印性为代价来优化其材料的强度，可Markforged依旧优化了打印 Onyx 的尺寸精度、表面光滑度和打印机可靠性。

连续纤维

连续碳纤维是采用热塑性涂层的长碳纤维束。然后，使用CFR过程将这些纤维束铺设到热塑性FFF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。在填充线材中，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。

这项工艺的主要优点在于，与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：

1、能够媲美与铝合金相当的强度，连续碳纤维增强的打印件在实际应用中可以取代机加工的零件。

2、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 凯夫拉Kevlar和玻璃纤维Fiberglass）来实现。

3、连续纤维补充填充线材。例如，Markforged在Onyx中使用短碳纤维来提高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。

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。

与纤维填充线材不同，连续纤维由用户通过称为连续纤维增强（Continuous Fiber Reinforcement, CFR） 的额外工艺来实现。

CFR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。

在使用CFR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。

关于Markforged

Markforged是连续碳纤维和金属FDM工艺3D打印技术的提出者和创立者，成立于2013年，2021年在美国纽约证券交易所上市。

截至目前，Markforged公司的产品已经分布在70个国家的1.5万家工厂，累计打印超过1000万个零件，真正将技术推向了批量化生产。Markforged能够取得这些成绩离不开3D打印数字锻造（The Digital Forge）平台。