碳纤维3D打印：短纤填充与连续增强的区别与性能差异
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碳纤维3D打印的过程并非直接进行纤维打印，而是通过复合的方式填充于其他材料中起到增强效果，如碳纤维增强尼龙、PLA、PEEK等。当前聚合物3D打印材料增强的方式无非两种，即短纤填充和长纤复合，增强方式的不同也造成了打印工艺的不同、性能的不同以及应用的不同。本期，3D打印技术参考从增强方式的角度分析这些不同。
一. 短切碳纤维填充聚合物材料
短切碳纤维是当前标准热塑性塑料的增强材料之一，其工艺过程是将短切纤维分散在热塑性塑料中，制成混合粉材或挤压成线材，采用激光烧结或FDM熔融沉积的形式实现成型（另，惠普多射流熔融技术也可实现）。这种强化方式能够整体性的提升材料强度和刚度，并达到优异的耐热性、表面光洁度和耐化学性。
短切碳纤维填充尼龙性能数据
但这种方法并非始终没有缺陷。一些短切纤维增强线材通过调节纤维对材料的饱和度来调节强度，随着纤维颗粒浓度的升高，材料可能难以顺畅的挤出喷嘴，留下可见的缺陷和粗糙的表面纹理，从而影响工件的整体质量。
Markforged新推出的短纤碳纤维复合尼龙阻燃材料Onyx FR
激光烧结碳纤维复合尼龙汽车进气歧管功能部件
短切碳纤维增强材料实现了传统热塑性材料所无法达到的性能，能够提供内部测试或面向客户的部件所需的强度和外观，可用于航空航天、国防和汽车行业原型测试及最终使用部件。
二．连续碳纤维增强聚合物材料
短切碳纤维在增强材料整体强度方面具有显著优势，而连续碳纤维则可使零件达到更高的强度和功能。当前连续碳纤维制造采用的几乎均是FDM工艺，在打印过程中，将连续的碳纤维嵌入标准的热塑性基材中。
带有双喷头的连续碳纤维打印机
基于该工艺的打印机在工作时，首先通过喷嘴成型传统热塑性材料，随后另一个喷嘴将纤维“熨烫”在刚成型的塑料基体上，在需要跨越的位置，喷嘴处有一切割装置将纤维切断。
连续碳纤维填充其中更像零件的骨架
采用这种方式增强的材料更强、更硬、更耐用，并且保持了热塑性基体材料的耐热性、耐化学性和良好的打印质量。与此同时，连续纤维增强的材料还可以以相对较轻的质量达到传统金属部件的强度，这在要求强度质量比的行业具有重要意义。
连续碳纤维的强度与重量比是增强纤维中最高的。碳纤维增强材料的强度是短切增强尼龙（Onyx）的6倍，硬度是其18倍，通常用于替换机加工铝合金零件
碳纤维增强的尼龙（7g，左）和铝合金（12g，右）同时悬挂12.5kg重物比较
连续碳纤维不仅增加了强度，而且还提供给用户在需要更高耐久性的领域中有选择性地进行强化。连续碳纤维的FDM工艺可以选择逐层基础强化，因此可以获得同心轴向强化和各向同性强化。同心填充加强了每层（内部和外部）的外边界，并通过用户定义的循环数延伸到零件中。各向同性填充在每层上形成单向复合增强，并且可以通过改变层上的增强方向来模拟碳纤维编织。这些强化策略使航空航天、汽车和制造等行业能够以新的方式将复合材料集成到其工作流程中，有效地模拟金属性能。
更长的纤维意味着材料强度更高，纤维有助于在一个区域上扩散载荷，通过控制方向，Arevo将碳纤维增强材料以钛合金1/3的重量实现了5倍强度的提高
END
碳纤维传统工艺制造过程十分复杂并且需要大量人力劳动，采用3D打印技术无疑使碳纤维复合材料的制造更为便捷。两者的结合同时解决了热塑性3D打印存在的种种性能不足问题，这无疑为直接制造最终功能部件提供了更多可能。
当前的碳纤维3D打印工艺实则分为短切纤维填充和连续纤维增强两种，复合方式的不同自然带来不同的性能和应用，那么，你到底需要的是哪种增强方式呢？
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原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：碳纤维3D打印：短纤填充与连续增强的区别与性能差异