碳纤维3D打印2024国内最新多项技术进展
2023年，科技部公布的“十四五”国家重点研发计划将纤维增强热塑性复合材料增材制造技术与装备研究纳入其中，并特别强调研制纤维增强热塑性复合材料多丝束挤出增材制造装备。3D打印技术参考注意到，主持相关项目研究的同济大学团队在2024年7月发布了最新成果，成功应用连续碳纤维增强树脂基复合材料3D打印技术制造的国内首架全碳纤维复合材料3D打印技术验证机“同飞一号”试飞成功。
同济大学国内首架连续碳纤维复合材料3D打印的无人机试飞成功（来自同济大学新闻网）
纤维增强复合材料因具有优异的质量强度比而备受关注，采用3D打印技术将纤维增强材料通过连续或短切的形式与传统高分子塑料复合，可显著提高零件的强度、耐热性及抗冲击性。在航空航天、汽车和制造行业，3D打印的纤维增强部件正在迅速取代模压纤维和金属部件高性能原型和最终用途零件。当前纤维增强3D打印技术主要分为短切碳纤维混掺尼龙粉末的激光烧结工艺，与热塑性塑料复合制成丝材或颗粒的挤出以及直接连续纤维复合热塑性塑料的挤出工艺。本文内容将梳理当前国内纤维增强3D打印装备的发展情况。
Raise3D——碳纤维“包芯”3D打印
2024年TCT亚洲展上，Raise3D复志科技推出了全新旗舰款设备Pro3 HS系列和新一代纤维增强复合材料——Hyper Core 速聚芯™ 系列耗材。Hyper Core 速聚芯™ 系列线材采用了近似连续纤维的“包芯”工艺，可以将至多35wt%碳纤或玻纤集中，形成线材的“内芯”，以尼龙或 ABS 等高流通性热塑材料作“包浆”。相较普通复合材料，Hyper Core速聚芯™系列耗材的更高的碳纤维含量赋予了材料更卓越的机械性能，打印出的部件不仅强度更高，而且具有更好的抗冲击性和耐久性，同时保持了优异的表面质量。
Hyper Core速聚芯™技术
同时利用Raise3D Pro3 HS高精度打印和专属的ideaMaker® 切片软件，可以通过使用标准品钢板或螺母，实现混合制程，无论采用后嵌入式工艺还是暂停-嵌入-继续工序，增强其刚性，实现卓越的打印效果，为复杂结构和高强度要求的打印件提供了可靠的保障。通过这样的制程，可以媲美连续纤维打印或者传统铝制件的效果的同时，其使用成本低于CNC铝加工。利用这一优势，使得Raise3D成为联合利华、SKF、舍弗勒等工厂中对产品高强度、高耐久要求，同时寻求高性价比解决方案的应用场景的理想选择。
Raise3D碳纤维3D打印零件
远铸智能——满足碳纤维打印件对大尺寸的需求
作为一家专注于FFF 3D打印工艺的企业，远铸智能自2016年成立以来便在这一领域深耕细作。近年来，他们在碳纤维材料的3D打印方面取得了显著进展，已开发出5种成熟工艺包，覆盖PA6-CF、PA12-CF、PET-CF、PPA-CF、PEEK-CF等多种材料。其中，PEEK-CF打印需要超过400℃的打印喷头温度，对打印设备的性能提出了极高的要求，这也体现了远铸智能在碳纤维3D打印领域的领先技术实力。
远铸智能3D打印短纤增强产品
为了满足用户更多元的探索需求，远铸智能的FUNMAT系列打印设备支持开放线材系统，并且拥有高达500℃的喷头温度、300℃的腔室温度以及610mm的最大打印尺寸，能够满足许多碳纤维打印件对大尺寸的需求。这些优势使得远铸智能在碳纤维3D打印领域展现出强大的竞争力
一迈智能——多类型装备落地应用
1. 丝材碳纤维复合材料3D打印
一直以来，一迈致力于为用户特种工程塑料的3D打印解决方案，例如PEEK、PEKK等丝材，但由于不同使用场景的使用需求，很多用户提出碳纤维增强材料的需求，因此，一迈基于不同需求发布了其短切碳纤维复合丝材系列，包括：CF-PEEK,CF-PPS,CF-PPA,CF-PA12,CF-PA6,CF-PET,CF-PC,CF-ABS,CF-PETG,CF-ASA等，以上非特种材料的部分，已经在亚马逊正式发售且收到了不错的反馈，此外，一迈还正在测试CF-PEI和CF-PEKK等材料，将在未来合适的时机发布，而这些特种材料的碳纤维增强材料则需要专用的高温打印机方可使用。
一迈高温系列打印机
一迈智能短纤增强3D打印产品
2. 颗粒碳纤维复合材料3D打印
关于碳纤维复合材料的应用场景，不得不提中大型复材模具，用于汽车、船舶和特种装备的碳纤维成型，一迈的颗粒打印机、机械臂颗粒打印方案，及其配套的碳纤维复合颗粒材料，已经逐渐地在该领用领域得到落地。此外，一迈正在探索增减材一体的解决方案。
一迈颗粒系列打印机
一迈智能3D打印颗粒碳纤维复合材料
协同高科——连续纤维3D打印
协同高科连续纤维3D打印技术源自西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，致力于中国连续纤维复材3D打印的研发与应用。以连续纤维增强热塑性聚合物基高性能复合材料零件直接3D打印为目标，采用连续纤维与热塑性聚合物为原材料，利用复合浸渍-熔融沉积的3D打印工艺实现复合材料制备与复杂结构复合材料零件成形的一体化制造。
协同高科连续纤维3打印设备
协同高科连续纤维3D打印产品
协同高科目前已推出的典型连续纤维复合材料3D打印装备有：连续纤维复材多自由度3D打印装备YJ-RF1000，连续纤维复材3D打印装备YJ-F600和YJ-X300-M，形成从科研级到工业级、小幅面到大幅面、低温到高温的全体系装备覆盖。协同高科开发的连续纤维3D打印材料体系为连续纤维增强热塑性复合材料预浸丝材，覆盖碳纤维复材、玻纤复材、玄武岩纤维复材等，基体则从低温到PEEK、PEI等高温，可实现较大范围的材料覆盖。“30倍强度于尼龙材料，2倍强度于铝，7倍轻于钢”。近期，协同高科完成Pre-A轮战略融资，领头单位为国内碳纤维生产设备龙头企业-精工科技，加速产业布局，致力于提供面向终端需求的更完善的全产业链服务。
阿奈索——连续纤维3D打印的开拓者
阿奈索三维是复合材料连续纤维3D打印的开拓者，是一家以上海为营销中心，苏州常熟为研发制造总部的中国本土化公司。目前，阿奈索三维已成功推出桌面级、专业级和工业级连续纤维3D打印设备。这些设备在航空航天、先进制造等尖端领域得到广泛应用，能够制造出轻量化、形状复杂且具备超高机械性能的复合材料零部件，可有效替代金属零部件。
2023年，阿奈索三维全资收购Anisoprint，其独特的连续纤维共挤（Composite FiberCo-Extrusion）技术使Anisoprint成为全球率先实现连续纤维3D打印商业化的企业。CFC连续纤维共挤是一种创新技术，它使连续纤维和基体材料从同一个孔挤出，实现了独特的材料结合方式。在该技术中，连续纤维和基体材料能够被精确地输送到挤出孔中，挤出时连续纤维会均匀地包裹在基体材料中，形成紧密结合的复合材料结构。这种共挤技术具有多方面的优势。首先，它能够有效确保连续纤维在复合材料中的均匀分布，从而增强材料的强度和刚度。其次，通过选择不同的连续纤维和基体材料组合，可以根据具体需求定制材料的性能。本次收购，不仅给阿奈索带来了先进的技术和业知识，同时也打开了更广阔的国际市场。
聚高增材——高碳纤维含量复合材料3D打印
聚高增材依托西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室的前沿研究，采用创新的螺杆挤出3D打印技术，成功制造出高强度碳纤维增强聚醚醚酮（PEEK-CF）复合材料。该技术不仅克服了传统材料挤出制备高性能复合材料的挑战，还实现了纤维长度的大幅提升，显著增强了复合材料的机械性能。特别是当碳纤维含量达到25wt%时，PEEK-CF复合材料的抗拉强度达到纯PEEK的3.15倍，创下了短碳纤维增强聚合物复合材料3D打印强度的新高，彰显了聚高在碳纤维3D打印领域的卓越技术实力。
聚高的另一大亮点在于其系统化的复合材料性能评估能力。公司通过对不同纤维长度和含量的PEEK-CF复合材料进行详尽的流变性能和力学性能研究，揭示了纤维长度与复合材料机械特性之间的复杂关系。研究结果表明，通过优化纤维长度和退火工艺，可以显著提升复合材料的强度和刚度，同时保持一定的冲击强度。这种对复合材料性能的全面理解和精准调控，使得聚高增能够为客户提供定制化的高性能碳纤维3D打印解决方案，满足不同应用场景下的特定需求。
END
纤维增强复合材料3D打印技术因其独特的优势，在各个领域展现出广泛的应用潜力，因此受到各方的广泛关注，更是被列入国家重点研发计划。同时，国内多家企业如Raise3D、远铸智能、一迈智能、协同高科、阿奈索、聚高增材等，在碳纤维3D打印装备与材料研发上亦取得显著进展，通过高速打印技术、包芯技术、短纤及颗粒增强材料、连续纤维打印工艺等创新，不断拓宽3D打印在高性能工业零件制造中的应用边界，为制造业的数字化转型提供了强有力的技术支持与解决方案。这些技术突破不仅提升了产品性能，还促进了3D打印技术在航空航天、汽车、制造等多个行业的广泛应用。
最后，3D打印技术参考在查询资料的过程中注意到，消费级3D打印设备商龙头创想三维也推出了能够打印碳纤维的设备及材料。也许，碳纤维3D打印的应用场景正在不断下沉。
