碳纖維的興起
儘管碳纖維3D列印已經問世十多年，但它最近幾年才快速興起。目前，市面上現有的許多3D列印機廠商都在爭先恐後地宣傳“碳纖維3D列印”概念，但事實上，各種碳纖維之間也存在差別。
本篇將介紹 3D 列印領域中碳纖維的基礎知識，文中將定義不同的類型，目前面臨的挑戰、優點、注意事項等。
接著將說明 Markforged 的碳纖維增強 (Carbon Fiber Reinforcement, CFR) 的明顯優勢。
碳纖維基礎知識
什麽是碳纖維？
碳纖維由沿著細長晶體結構方向排列的碳原子組成，直徑為 5-10 微米。這些纖維既可以單獨使用，也可以將數千根碳纖維單絲捆束起來組成纖維束加以使用。
在現代製造業中，碳纖維通常會與其他材料結合構成複合材料來使用。
在與熱塑性或熱固性樹脂基體相結合時，碳纖維束可以採用多種形式用於工程領域。最常見的應用是，將碳纖維纏繞在芯軸上成管狀，接著擠壓成型，或者將它們編織成帶狀物或織物。
上述碳纖維組合方式可以產生超高強度的自定義的幾何形狀，碳纖維組合後可大幅增強機械性能以及耐熱和耐化學腐蝕特性，使其成為許多新式工業應用的理想選擇。
碳纖維具有很強的剛性和抗拉伸強度，而相對密度卻遠低於鋼和鋁。碳纖維的強度重量比極高。廣泛用於航空航天、汽車、軍事和其他行業。
近年來纖維複合材料應用在3D列印領域也逐漸受到重視，目前主流包括「短纖維」及「連續纖維」複合材料兩種方式。
3D列印短纖維複合材料
短纖維（例如玻璃纖維和碳纖維）在射出成形領域中已有幾十年的歷史，用於改善熱塑性材料的性能。要將短纖維製成在3D列印中使用的線材，需要將纖維聚合物原料與填充材料混合、製成粒料，再將這些粒料送入擠出機中，進一步混合、連接並拉伸成3D列印用的線材，接著將線材仔細小心地繞到線軸上才大功告成。
一般最常見的纖維複合線材是以短碳纖維為主，以尼龍或ABS塑膠等作為基材。需要注意的是，並非所有纖維都是用於增強機械性能，實際上，有一些是用於改善流動性、外形美觀甚至是降低成本。
短碳纖維複合線材通常由均勻分布的碳纖維組成，依廠商不同其重量占約 5% 至 35%。這些纖維是從纖維束銑削或切削而成的短纖維，尺寸為直徑 5-10 微米，長度 50-250 微米。在纖維複合線材生產過程中，材料擠出的流動性使得纖維的方向一致，因此若要有效提高列印件的抗衝擊和彎曲強度，需要受力的方向最好與擺放方向垂直。
3D列印短纖維複合線材主要優點
| 優點 | 說明 |
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短碳纖維直接提升物件強度、剛性。 |
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碳纖維的熱膨脹系數低，有助於減少列印過程中的翹曲，同時有助於防止物件在列印高溫環境下變形。 |
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機械穩定性和熱穩定性均得到提高，也意味著採用碳纖維複合線材列印的物件相比一般的零件來說尺寸精度更高。 |
面臨挑戰
跟一般的列印線材相比，短碳纖維具有明顯的優勢，包括它所占的體積比。那這樣市面上所有的3D列印線材都使用碳纖維不是更好嗎？答案是否定的，原因是碳纖維複合材料在生產和列印過程中都帶來了許多挑戰，其中包括：
- 線材不易包裝，容易受潮。
- 列印平整度不佳。當纖維填充材料的數量超過了某個臨界點，在列印過程中會導致表面平整度比較差，甚至是品質缺陷。
- 碳纖維填充線材具有易磨損性，這會導致針對普通列印線材設計的3D列印機的擠出組件快速損耗。
Markforged Onyx3D列印技術
市面上號稱可以列印短碳纖維3D列印線材的列印機雖然很多，但往往都是列印一陣子之後就會出現齒輪崩牙或噴嘴擴孔等問題，需要定期進行維修整理才能繼續使用。此外，許多線材廠商盲目在線材內添加盡可能多的短碳纖維，造成列印出來的零件雖然獲得了強度，但卻犧牲了表面平整度，同時也大幅縮短列印機的壽命。
針對上述之挑戰，Markforged有完美地解決方案。首先Onyx屬於尼龍基底的短碳纖維線材，特殊的製程使纖維較一般市面上的短碳纖維線材均勻，強度優於尼龍粉末列印。此外， Markforged桌上型系列3D列印機針對碳纖維的硬度將擠出機結構優化，能長時間穩定輸出，表面品質極佳，適合終端產品小批量生產。Markforged優化列印短碳纖維（Onyx）的尺寸精度、穩定性，在不犧牲最終零件強度的情況下維持列印件的精度、整體剛性和強度同時可得到完美的表面平整度。
3D列印連續纖維技術
連續碳纖維顧名思義，在列印過程中將連續纖維束鋪設到3D列印的物件裡面，像是在水泥中鋪設鋼筋般可大幅加強列印物件的強度。短纖維線材因為碳纖維不連續的特性導致壓力經過基礎材料傳遞，造成機械強度的提升並不明顯。在含連續纖維的列印件中，拉伸和彎曲負荷會施加到長纖維束上，對基礎材料的負荷降到最低，進而帶來機械性能的提升。列印件可視需求採用多種不同的方式強化，依鋪設的層數、密度、方向等可得到比切削鋁件還強的3D列印件。連續纖維增強技術不僅碳纖維，還包括連續玻璃纖維、克維拉纖維（Kevlar®） 和耐壓耐高溫連續玻璃纖維等材料。每種連續纖維都有其特性跟適合使用的場域。
Markforged連續纖維3D列印
連續纖維列印技術（Continuous Fiber Reinforcement, CFR）是Markforged的專利技術，一邊使用加熱的噴嘴擠出基礎材料，另一邊噴嘴將連續纖維按照設定好參數進行列印。在Markforged的專用切片軟體中，可以透過三種方式控制列印件中的纖維量：層數、方向、鋪設形式，以此精準控制所需強度。
連續纖維列印的優勢
與複合線材所帶來的微幅提升不同，連續纖維能夠實現零件性能的大幅改善。其優勢包括：
| 優勢 | 說明 |
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含連續碳纖維的列印件在實際應用中可取代機加工的零件。 |
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不同的需求透過不同的纖維或是列印方式來實現。 |
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連續纖維列印時是以基礎材料Onyx將連續纖維包覆，因此可以得到強度的同時保持極佳的列印表面。 |
可訂製的強度
與短纖維複合線材不同，連續纖維可透過連續纖維來增強列印件的強度。根據不同的需求選擇不同的纖維，不同的列印參數、列印擺放方向，訂製所需要的強度。針對在需要高負載需求的部位進行纖維鋪設實現最好的效果。經過最佳化的設計達到使用較少的材料獲得相同的預期效果，同時縮短製造時間和減少成本。
常用的連續纖維舖設方式包括：
| 種類 | 說明 |
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與傳統的複合材料包覆的製程相似，頂底加固僅在物件頂部和底部鋪設連續纖維。在大多數彎曲負荷條件下，物件表面的應力是最高的，頂底加固一般用於抵抗 Z 軸方向的力量。 |
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外殼與頂底層加固類似，但在每一層的外壁內使用連續纖維將物件的外殼進行強化，一般用來抵抗沿著XY平面的力量。 |
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指定層加固是在物件的關鍵區域增加了連續纖維進行加固，用於分散負荷，進而降低填充物屈曲的風險。 |
結論
使用複合線材及連續纖維列印技術，可以幫助企業用戶在輕鬆且快速導入3D列印技術，進而面對不斷擴展的需求。連續碳纖維是Markforged獨家的超高列印技術，將連續纖維鋪設到Onyx基材上，可以生產出強度與6061-T6鋁合金相媲美的物件。
