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) 的優點。
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。
短纖維填充線材
短纖維填料（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。為了製造這些填充線材，供應商將聚合物原料與填充材料混合，製成粒料。這些粒料送入擠出線中，進一步混合、連接並拉伸成線材。接著將線材繞到線軸上並投入使用。在3D列印行業中，此工藝最常見的應用是使用短碳纖維填充線材，以尼龍或ABS塑膠等作為基材。需要注意的是，並非所有填料都是用於增強機械性能的纖維，實際上，有一些填料是用於改善流動性、外形美觀甚至是降低成本。
短碳纖維填充線材通常由均勻分布的碳纖維組成，其重量僅占 5% 至 35%。這些纖維是從纖維束銑削或切削而成的短纖維，其尺寸為直徑 5-10 微米，長度 50-250 微米。
在線材生產以及列印過程中，材料擠出工藝的流動性使得纖維填料的方向與列印的方向一致。這意味著要提高抗拉強度和彎曲強度，列印方向最好與零件的外壁方向一致。
主要優點
- 強度/剛度的輕微增長
這直接使零件強度更大、剛性更強。
- 提升熱穩定性
碳纖維的熱膨脹系數低，有助於減少列印過程中的翹曲。
此外，這還有助於防止列印零件在高溫環境下變形的情況。
- 更高的列印零件精度
機械穩定性和熱穩定性均得到提高，這意味著，采用碳纖維填充的零件相比未填充的零件來說，尺寸精度更高。
面臨挑戰
短碳纖維具有明顯的優勢，包括它所占的體積比。這隨之帶來了一個問題，為什麽所有市面上的3D列印線材無法盡可能多地填充碳纖維？原因是碳纖維給材料生產工藝和列印工藝都帶來了許多挑戰，其中包括：
- 對線材均勻度有不利影響：當硬質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光潔度比較差甚至是質量缺陷。
- 碳纖維填充線材具有易磨損性，這會導致針對普通非填充FDM線材設計的列印機擠出組件快速磨損。這種情況只能透過使用強化的零件和日常維護來進行防範，但會增加設備成本。
