自1970年代以來代郊，由于碳纖維具有很高的強(qiáng)度重量比和剛度侠坎，因此已被用作相對便宜的替代金屬，如鈦材料等扶踊。因此泄鹏，尋找一種用碳纖維和其他增強(qiáng)材料進(jìn)行3D打印的方法，已成為增材制造領(lǐng)域許多初創(chuàng)企業(yè)和成熟制造商的目標(biāo)秧耗。

這種奇妙的材料是如何產(chǎn)生的备籽？如何在制造中使用碳纖維以及如何將其編織到3D打印中？要了解在3D打印中如何使用碳纖維增強(qiáng)材料以及為什么使用碳纖維增強(qiáng)材料分井，有助于了解碳纖維增強(qiáng)材料在傳統(tǒng)制造中的使用方式以及碳纖維零件的制造方式车猬。

其實(shí)碳纖維已經(jīng)悄然進(jìn)入消費(fèi)者的生活之中。尺锚。盡管它主要用于航空航天珠闰，但也越來越多地進(jìn)入汽車，土木工程瘫辩，電子和體育用品領(lǐng)域伏嗜。航空航天領(lǐng)域的主要目標(biāo)之一是減輕飛機(jī)的重量，從而減少將大型飛機(jī)推向天空所需的昂貴燃料杭朱。波音787夢幻客機(jī)成為第一架由50％的復(fù)合材料（主要是碳纖維）制成的飛機(jī)阅仔，但最近被空中客車A350 XWB所取代，該飛機(jī)的碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）零件為52％窑笑。

在汽車工業(yè)中秕射，由于碳纖維的價(jià)格，CFRP組件更可能出現(xiàn)在特種車輛中综界，例如賽車和超級跑車瞎角。寶馬在量產(chǎn)的i3和i8電動(dòng)汽車的材料方面發(fā)揮了專業(yè)知識(shí)，其底盤由大量CFRP零件制成贴祷。通過使用碳纖維覆靖，汽車公司能夠減輕車輛的重量，從而使電池進(jìn)一步推動(dòng)汽車行駛胎汁。但是午禽，更新的iNext將減少CFRP項(xiàng)目，部分原因是增加的電池容量和對電動(dòng)汽車的需求增加究勺，從而使碳纖維的成本競爭力降低绿锋。

對于狂熱的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員或騎自行車愛好者來說，可能已投資購買了碳纖維球拍或自行車車架酱劫。

碳纖維是在19世紀(jì)下半葉發(fā)明的澄港，用作燈泡中的燈絲椒涯。直到1958年，聯(lián)合碳化物公司才開始制造用于制造的碳纖維回梧，全世界的研究人員都在同時(shí)追求這一目標(biāo)废岂。如今，大約90％的碳纖維是通過加熱稱為聚丙烯腈（PAN）的石油衍生聚合物來制造的狱意。由于其普遍存在湖苞，我們將繼續(xù)專注于生產(chǎn)PAN基碳纖維。

在將PAN加熱到300°C之前髓涯，先將其纏繞成長絲紗線袒啼，然后再將其穩(wěn)定化，以預(yù)料隨后的步驟：碳化纬纪。在碳化過程中蚓再，將前體材料拉成長束，并在惰性（無氧）室內(nèi)加熱到2000°C包各。沒有氧氣摘仅，材料不會(huì)燃燒，而是會(huì)除去除碳原子以外的所有碳问畅。結(jié)果是形成了一層僅5至10微米厚的細(xì)絲狀碳層谍益。然后將碳纖維浸入氣體（空氣，二氧化碳或臭氧）或液體（次氯酸鈉或硝酸）中款萎，以便可以更輕松地與其他材料粘合逐点。

碳纖維可以繞成卷軸，也就是所謂的“絲束”饭里，然后以這種形式使用辞垦。但是，更常見的是將其編織成薄板健乾。然后將這些薄板與聚合物樹脂基體結(jié)合在一起怎棋，制成CFRP零件。發(fā)生這種情況的方式很大程度上取決于要制造的組件類型煌害∠笕耍可以將碳纖維板放入模具中，然后在模具中填充樹脂并加熱或暴露在空氣中直至變硬芦惧∈癜或者，可以在模具上襯上增強(qiáng)纖維布耙替，然后將其放入充滿樹脂的真空袋中亚侠。這些過程通常是勞動(dòng)密集型的，這就是為什么要進(jìn)行批量生產(chǎn)時(shí)，使用金屬模具將基體材料和碳纖維材料沖壓在一起的原因盖奈。使用預(yù)浸材料可以加快這些過程。預(yù)浸料使用增強(qiáng)纖維狐援，該增強(qiáng)纖維已被聚合物基質(zhì)浸透钢坦，并且易于部署。

對于諸如飛機(jī)的大規(guī)模操作啥酱，已經(jīng)開發(fā)了更先進(jìn)和更昂貴的鋪設(shè)碳纖維的方法爹凹。自動(dòng)膠帶鋪設(shè)可以在寬3至12英寸的預(yù)浸料帶，然后使用大型機(jī)械龍門系統(tǒng)將其卷繞到一個(gè)部件上镶殷，進(jìn)行加熱和壓縮禾酱。盡管它的吞吐率不盡相同，但自動(dòng)纖維鋪放（AFP）技術(shù)與碳纖維絲束執(zhí)行的操作類似绘趋，從而可以實(shí)現(xiàn)更高的精度和幾何復(fù)雜性颤陶。

值得一提的是碳纖維表現(xiàn)出各向異性（方向相關(guān)）的特性【卜耄考慮一下一塊纖維增強(qiáng)材料肿功，例如一塊木板，這是最有幫助的：沿紋理最硬狱鼎。因此卸矾，在制造增強(qiáng)布時(shí)，碳纖維經(jīng)常以縱橫交錯(cuò)的方式編織篷浅。隨著我們了解將碳纖維引入3D打印的各種方法（例如填庄，與連續(xù)碳纖維相比，短切碳纖維的強(qiáng)度）客娱，這一特性將發(fā)揮作用题琅。

在碳纖維3D打印的整個(gè)世界中都可以找到許多上述技術(shù)和應(yīng)用。用于纖維增強(qiáng)的3D打印的一些新興方法嚴(yán)重依賴于預(yù)浸料屿拴，而其他方法則使用絲束医熊。在后面的文章中，我們將研究當(dāng)前用于碳纖維3D打印的各種技術(shù)笤茴。

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