（文章來源：中關村在線）

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

這種奇妙的材料是如何產生的？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材料以及為什么使用碳纖維增強材料，有助于了解碳纖維增強材料在傳統(tǒng)制造中的使用方式以及碳纖維零件的制造方式。

其實碳纖維已經悄然進入消費者的生活之中。。盡管它主要用于航空航天，但也越來越多地進入汽車，土木工程，電子和體育用品領域。航空航天領域的主要目標之一是減輕飛機的重量，從而減少將大型飛機推向天空所需的昂貴燃料。波音787夢幻客機成為第一架由50％的復合材料（主要是碳纖維）制成的飛機，但最近被空中客車A350 XWB所取代，該飛機的碳纖維增強聚合物（CFRP）零件為52％。

在汽車工業(yè)中，由于碳纖維的價格，CFRP組件更可能出現(xiàn)在特種車輛中，例如賽車和超級跑車。寶馬在量產的i3和i8電動汽車的材料方面發(fā)揮了專業(yè)知識，其底盤由大量CFRP零件制成。通過使用碳纖維，汽車公司能夠減輕車輛的重量，從而使電池進一步推動汽車行駛。但是，更新的iNext將減少CFRP項目，部分原因是增加的電池容量和對電動汽車的需求增加，從而使碳纖維的成本競爭力降低。

對于狂熱的網(wǎng)球運動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。

碳纖維是在19世紀下半葉發(fā)明的，用作燈泡中的燈絲。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，全世界的研究人員都在同時追求這一目標。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。由于其普遍存在，我們將繼續(xù)專注于生產PAN基碳纖維。

在將PAN加熱到300°C之前，先將其纏繞成長絲紗線，然后再將其穩(wěn)定化，以預料隨后的步驟：碳化。在碳化過程中，將前體材料拉成長束，并在惰性（無氧）室內加熱到2000°C。沒有氧氣，材料不會燃燒，而是會除去除碳原子以外的所有碳。結果是形成了一層僅5至10微米厚的細絲狀碳層。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，以便可以更輕松地與其他材料粘合。

碳纖維可以繞成卷軸，也就是所謂的“絲束”，然后以這種形式使用。但是，更常見的是將其編織成薄板。然后將這些薄板與聚合物樹脂基體結合在一起，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?？梢詫⑻祭w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。或者，可以在模具上襯上增強纖維布，然后將其放入充滿樹脂的真空袋中。這些過程通常是勞動密集型的，這就是為什么要進行批量生產時，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。使用預浸材料可以加快這些過程。預浸料使用增強纖維，該增強纖維已被聚合物基質浸透，并且易于部署。

對于諸如飛機的大規(guī)模操作，已經開發(fā)了更先進和更昂貴的鋪設碳纖維的方法。自動膠帶鋪設可以在寬3至12英寸的預浸料帶，然后使用大型機械龍門系統(tǒng)將其卷繞到一個部件上，進行加熱和壓縮。盡管它的吞吐率不盡相同，但自動纖維鋪放（AFP）技術與碳纖維絲束執(zhí)行的操作類似，從而可以實現(xiàn)更高的精度和幾何復雜性。

值得一提的是碳纖維表現(xiàn)出各向異性（方向相關）的特性。考慮一下一塊纖維增強材料，例如一塊木板，這是最有幫助的：沿紋理最硬。因此，在制造增強布時，碳纖維經常以縱橫交錯的方式編織。隨著我們了解將碳纖維引入3D打印的各種方法（例如，與連續(xù)碳纖維相比，短切碳纖維的強度），這一特性將發(fā)揮作用。

在碳纖維3D打印的整個世界中都可以找到許多上述技術和應用。用于纖維增強的3D打印的一些新興方法嚴重依賴于預浸料，而其他方法則使用絲束。在后面的文章中，我們將研究當前用于碳纖維3D打印的各種技術。
（責任編輯：fqj）