碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量新型纖維材料，是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌，再經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的。這種材料“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比鋁還要輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕等優(yōu)異特性，在國防軍工和民用方面都有很高的應(yīng)用價(jià)值。正因?yàn)榫哂腥绱藘?yōu)異的特性，碳纖維這種材料在幾年前就進(jìn)入到了3D打印的視野中。不過，目前它們的價(jià)格還是太貴，只能應(yīng)用于高端汽車和航空上。
目前的碳纖維3D打印發(fā)展?fàn)顩r如何呢？下面，小編為大家盤點(diǎn)一下幾家比較知名的碳纖維3D打印企業(yè)和他們的技術(shù)與產(chǎn)品。
Arevo Labs
該公司來自著名的美國硅谷，主要業(yè)務(wù)包括提供工業(yè)級的碳纖維3D打印機(jī)，用于3D打印的新型碳纖維和碳納米管(CNT)增強(qiáng)型高性能材料，以及借助獨(dú)有的3D打印技術(shù)和專用軟件算法，使用市場上現(xiàn)有的長絲融熔3D打印機(jī)制造產(chǎn)品級的超強(qiáng)聚合物零部件。
這家公司在2015年后期推出了自己的首款機(jī)械臂3D打印平臺(RAM)。該平臺是由ABB Robotics公司的商用6軸機(jī)器人系統(tǒng)、FDM 3D打印組件、終端效應(yīng)器硬件以及一套綜合的軟件組成的，能夠使用高性能的碳纖維熱塑性塑料3D打印出復(fù)雜的復(fù)合部件。
圖1 ABB 6軸機(jī)器人IRB 120
RAM搭載的是ABB公司最小型號的機(jī)械臂——IRB 120，不過其所使用的可擴(kuò)展軟件是可以匹配和支持更大的型號的。所以根據(jù)型號的不同，其構(gòu)建體積最小為1000 mm3，而最大可達(dá)8000 mm3。末端執(zhí)行器的硬件包括一個(gè)用于處理高性能碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的熱管理沉積頭。
Arevo軟件套件將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換為一組執(zhí)行增材制造的指令發(fā)送給機(jī)器人。該軟件提供了六度的自由度和多軸的工具路徑，機(jī)器臂在三維表面可變方向。一個(gè)精確的運(yùn)動學(xué)仿真解釋材料沉積指令驗(yàn)證和優(yōu)化打印過程。
Impossible Objects
該公司擁有專利的復(fù)合材料3D打印工藝 (CBAM)，能將特定材料以層層堆積的方式成型，并用內(nèi)置熱源將它們?nèi)诤显谝黄?，打印完成后將不需要的材料移除即可。Impossible Objects將強(qiáng)度更高的材料用于3D打印技術(shù)，比如碳纖維、芳綸(Kevlar)和玻璃纖維等。打印完成后的零部件要比使用傳統(tǒng)熱塑性材料3D打印出來的部件強(qiáng)度要高2～10倍。由于其獨(dú)特的復(fù)合材料構(gòu)成，用戶也可以通過定制以用于各種應(yīng)用，包括熱和化學(xué)腐蝕等環(huán)境。
圖2 Impossible Objects擁有專利的復(fù)合材料3D打印工藝——CBAM
Impossible Objects的創(chuàng)始人Robert Swartz認(rèn)為，能夠打印碳纖維部件將讓3D打印技術(shù)在很多領(lǐng)域更加有用。目前3D打印出來的塑料部件的性能并不好，而要想性能好，就需要更好的材料。
Impossible Objects研發(fā)了新工藝。新工藝避免打印碳纖維，而從碳纖維布開始。在碳纖維布的上方，打印機(jī)根據(jù)數(shù)字指令精準(zhǔn)地噴涂清洗液，然后根據(jù)設(shè)計(jì)加入樹脂；將碳纖維布堆積并加熱，使樹脂融化，與碳纖維結(jié)合；最后，將未能與樹脂結(jié)合的碳纖維去除。
Impossible Objects已根據(jù)新工藝做出了可供出售的設(shè)備。Impossible Objects當(dāng)前的商業(yè)模式是為客戶提供高強(qiáng)度塑料產(chǎn)品的打印服務(wù)，他們正在將其CBAM技術(shù)設(shè)備商業(yè)化，下一步就將直接出售設(shè)備。
ElectroImpact
該公司的旗艦設(shè)備是自動纖維鋪放設(shè)備(AFP)，它采用了超薄碳纖維預(yù)浸帶或者預(yù)浸絲自動鋪放技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)十分精細(xì)的打印質(zhì)量。
該設(shè)備具有一條長達(dá)6.4m的機(jī)械臂，頭部有16個(gè)類似于老式縫紉機(jī)上線轱轆的裝置，整個(gè)手臂被架置在12m長的軌道上，可以圍繞模型快速運(yùn)動并同時(shí)進(jìn)行打印，所以能顯著縮短零部件和原型產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間并降低成本。
AFP的基本原理與常規(guī)FDM打印機(jī)類似，可以打印最長近8m的部件，在不平整和復(fù)雜的表面上，打印速度可以達(dá)到驚人的50m/min。
一些知名機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)采購了AFP的設(shè)備和產(chǎn)品，比如美國宇航局(NASA)的馬歇爾航天就購買了AFP的打印品作為制造航天器的零件，同時(shí)波音也購買了多臺Electroimpact的AFP設(shè)備，希望用來制造科技機(jī)翼上的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
MarkForged
該公司在三年前推出了全球首款能打印復(fù)合材料的桌面3D打印機(jī)Mark One，該設(shè)備的成型尺寸為305mm×160mm×160mm，能夠使用碳纖維和其他復(fù)合材料直接制作出在機(jī)械性能上足以與金屬部件媲美的“連續(xù)纖維加固”塑料類部件。
圖3 全球首款能打印復(fù)合材料的桌面3D打印機(jī)Mark One
這款機(jī)器有兩個(gè)打印頭，一個(gè)會使用尼龍材料，另一個(gè)會使用碳纖維、玻璃纖維等高強(qiáng)度纖維材料，然后聯(lián)合制造出強(qiáng)度可以媲美甚至超過鋁制品的超強(qiáng)部件。
MarkForged的CEO Greg Mark認(rèn)為，碳纖維價(jià)格昂貴的一個(gè)重要原因是它的制作工藝：復(fù)雜、耗時(shí)、人力需求大。Mark認(rèn)為他們公司開發(fā)的新技術(shù)簡單到只要在電腦里設(shè)計(jì)好部件，點(diǎn)擊按鈕，幾個(gè)小時(shí)后部件就可以生產(chǎn)出來了。由于設(shè)備的應(yīng)用廣泛，實(shí)用性極強(qiáng)，該公司在2015年實(shí)現(xiàn)了400%的收益。
目前，本田公司使用了Mcor ARKe 3D打印機(jī)來創(chuàng)建紙制模具，然后用它來制作傳統(tǒng)的CFRP零部件。據(jù)悉，紙模具可以在135°的高溫和0.5MPa的壓力下，持續(xù)幾個(gè)小時(shí)保持不變形，這足以讓碳纖維成型。本田公司利用SDL技術(shù)制作模具以生產(chǎn)碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）零部件，算是對SDL技術(shù)應(yīng)用的一種創(chuàng)新。
MarkForged公司已經(jīng)和本田合作了12個(gè)月，這期間本田一直在使用其SDL技術(shù)，并在公司的各個(gè)細(xì)分市場中也有使用到。通過使用SDL技術(shù)來制造碳纖維零件，這種3D打印紙張模具的特性基本與木質(zhì)模具相似，能夠承受高溫和高壓。
雖然Mcor ARKe 3D打印機(jī)但的成本為17995美元，據(jù)本田預(yù)估，3D打印CFRP模具的成本比傳統(tǒng)CNC模具成本節(jié)約約10倍，長期來看依然是劃算的。3D打印是一種未來的工業(yè)革命，往后的年代，傳統(tǒng)技術(shù)加工技術(shù)肯定會被這個(gè)新時(shí)代的產(chǎn)品取代，換而言之碳纖維的使用定會被推至一個(gè)新的高峰。
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