碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量新型纖維材料，是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌，再經碳化及石墨化處理而得到的。這種材料“外柔內剛”，質量比鋁還要輕，但強度卻高于鋼鐵，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用價值。正因為具有如此優(yōu)異的特性，碳纖維這種材料在幾年前就進入到了3D打印的視野中。不過，目前它們的價格還是太貴，只能應用于高端汽車和航空上。
目前的碳纖維3D打印發(fā)展狀況如何呢？下面，小編為大家盤點一下幾家比較知名的碳纖維3D打印企業(yè)和他們的技術與產品。
Arevo Labs
該公司來自著名的美國硅谷，主要業(yè)務包括提供工業(yè)級的碳纖維3D打印機，用于3D打印的新型碳纖維和碳納米管(CNT)增強型高性能材料，以及借助獨有的3D打印技術和專用軟件算法，使用市場上現有的長絲融熔3D打印機制造產品級的超強聚合物零部件。
這家公司在2015年后期推出了自己的首款機械臂3D打印平臺(RAM)。該平臺是由ABB Robotics公司的商用6軸機器人系統、FDM 3D打印組件、終端效應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打印出復雜的復合部件。
圖1 ABB 6軸機器人IRB 120
RAM搭載的是ABB公司最小型號的機械臂——IRB 120，不過其所使用的可擴展軟件是可以匹配和支持更大的型號的。所以根據型號的不同，其構建體積最小為1000 mm3，而最大可達8000 mm3。末端執(zhí)行器的硬件包括一個用于處理高性能碳纖維增強熱塑性塑料的熱管理沉積頭。
Arevo軟件套件將計算機輔助設計模型轉換為一組執(zhí)行增材制造的指令發(fā)送給機器人。該軟件提供了六度的自由度和多軸的工具路徑，機器臂在三維表面可變方向。一個精確的運動學仿真解釋材料沉積指令驗證和優(yōu)化打印過程。
Impossible Objects
該公司擁有專利的復合材料3D打印工藝 (CBAM)，能將特定材料以層層堆積的方式成型，并用內置熱源將它們融合在一起，打印完成后將不需要的材料移除即可。Impossible Objects將強度更高的材料用于3D打印技術，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熱塑性材料3D打印出來的部件強度要高2～10倍。由于其獨特的復合材料構成，用戶也可以通過定制以用于各種應用，包括熱和化學腐蝕等環(huán)境。
圖2 Impossible Objects擁有專利的復合材料3D打印工藝——CBAM
Impossible Objects的創(chuàng)始人Robert Swartz認為，能夠打印碳纖維部件將讓3D打印技術在很多領域更加有用。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，打印機根據數字指令精準地噴涂清洗液，然后根據設計加入樹脂；將碳纖維布堆積并加熱，使樹脂融化，與碳纖維結合；最后，將未能與樹脂結合的碳纖維去除。
Impossible Objects已根據新工藝做出了可供出售的設備。Impossible Objects當前的商業(yè)模式是為客戶提供高強度塑料產品的打印服務，他們正在將其CBAM技術設備商業(yè)化，下一步就將直接出售設備。
ElectroImpact
該公司的旗艦設備是自動纖維鋪放設備(AFP)，它采用了超薄碳纖維預浸帶或者預浸絲自動鋪放技術，可以實現十分精細的打印質量。
該設備具有一條長達6.4m的機械臂，頭部有16個類似于老式縫紉機上線轱轆的裝置，整個手臂被架置在12m長的軌道上，可以圍繞模型快速運動并同時進行打印，所以能顯著縮短零部件和原型產品的生產時間并降低成本。
AFP的基本原理與常規(guī)FDM打印機類似，可以打印最長近8m的部件，在不平整和復雜的表面上，打印速度可以達到驚人的50m/min。
一些知名機構和企業(yè)已經采購了AFP的設備和產品，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，同時波音也購買了多臺Electroimpact的AFP設備，希望用來制造科技機翼上的復合材料結構。
MarkForged
該公司在三年前推出了全球首款能打印復合材料的桌面3D打印機Mark One，該設備的成型尺寸為305mm×160mm×160mm，能夠使用碳纖維和其他復合材料直接制作出在機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 全球首款能打印復合材料的桌面3D打印機Mark One
這款機器有兩個打印頭，一個會使用尼龍材料，另一個會使用碳纖維、玻璃纖維等高強度纖維材料，然后聯合制造出強度可以媲美甚至超過鋁制品的超強部件。
MarkForged的CEO Greg Mark認為，碳纖維價格昂貴的一個重要原因是它的制作工藝：復雜、耗時、人力需求大。Mark認為他們公司開發(fā)的新技術簡單到只要在電腦里設計好部件，點擊按鈕，幾個小時后部件就可以生產出來了。由于設備的應用廣泛，實用性極強，該公司在2015年實現了400%的收益。
目前，本田公司使用了Mcor ARKe 3D打印機來創(chuàng)建紙制模具，然后用它來制作傳統的CFRP零部件。據悉，紙模具可以在135°的高溫和0.5MPa的壓力下，持續(xù)幾個小時保持不變形，這足以讓碳纖維成型。本田公司利用SDL技術制作模具以生產碳纖維增強塑料（CFRP）零部件，算是對SDL技術應用的一種創(chuàng)新。
MarkForged公司已經和本田合作了12個月，這期間本田一直在使用其SDL技術，并在公司的各個細分市場中也有使用到。通過使用SDL技術來制造碳纖維零件，這種3D打印紙張模具的特性基本與木質模具相似，能夠承受高溫和高壓。
雖然Mcor ARKe 3D打印機但的成本為17995美元，據本田預估，3D打印CFRP模具的成本比傳統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，傳統技術加工技術肯定會被這個新時代的產品取代，換而言之碳纖維的使用定會被推至一個新的高峰。
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