碳纤维的兴起
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。
本次将为您介绍3D打印领域中碳纤维的基础知识，文中将定义不同的类型，研究面临的挑战、优点、实现注意事项等。在碳纤维打印领域，我们将深入研究Markforged的碳纤维增强(CarbonFiberReinforcement,CFR)的优点。
何为碳纤维
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。
短纤维填充线材
短纤维填料(例如玻璃纤维和碳纤维)在注塑成型行业中已有几十年的使用历史，用于改善热塑性材料的性能。为了制造这些填充线材，制造商将聚合物原料与填充材料混合，制成粒料。这些粒料送入挤出线中，进一步混合、连接并拉伸成线材。然后，将线材绕到线轴上并投入使用。在3D打印行业中，此工艺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。
务必需要注意的是，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.
主要优点
强度/刚度的轻微增长这直接使零件强度更大、刚性更强。
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。
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。
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。
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。
主要优点
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。连续纤维的优点包括:
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。
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。
Markforged利用3D金属和碳纤维打印机转变了制造工艺，能够生产出足够坚韧的零件以用于工厂车间。全世界的工程师、设计师和制造业专业人士都依赖Markforged金属和复合打印机来生产工装、夹具、功能性原型和高价值的最终用途产品。