3D打印碳纤维国外发展状况
当前，利用3D打印增材制造技术应用于碳纤维增强塑料及复合材料(SCFT、LCFRT、CFRP和CFRTP)在国内外己经成为快速发展的碳纤维复合材料制备的数字化、智能化、自动化的高科技新技术。相比传统碳纤维复合材料成型与制备工艺相比，具有工艺简单、加工成本低、原材料利用率高、生产技术绿色与环保、降低制件的制造成本，同时实现复合材料制件的结构设计与制造一体化完成、无需再开模具制造、可以反复数字化修模与打印制件验证，从而可以加快开发周期、节约开发成本，可作为一种低成本快速成形制造的一种有效技术方案。碳纤维增强塑料及复合材料在航空航天和军工可以用3D打印技术制造出更轻、更强的工业级轻量化复合材料的复杂结构零部件。碳纤维(CF)成本较高、制备工艺条件及控制复杂、特殊的加工成型专用设备少和专业工程技术人员缺乏，使其在3D打印行业发展与应用较少，但是在国内外各个行业的末来应用发展潜力巨大，特别在航空航天、新能源电动汽车研究及开发上具有广泛的应用前景和发展。
现列出国外关于3D打印碳纤维公司及打印机设备的特点给予介绍。
1.ArevoLabs
该公司来自著名的美国硅谷，主要业务包括提供工业级级的碳纤维3D打印机，用于3D打印的新型碳纤维和碳纳米管(CNT)增强型高性能材料，以及借助独有的3D打印技术和专用软件算法，使用市场上现有的长丝融熔3D打印机制造产品级的超强聚合物零部件。这家公司在2015年后期推出了自己的首款机械臂3D打印平台(RAM)。该平台是由ABBRobotics公司的商用6轴机器人系统，FDM3D打印组件，终端效应器硬件，以及一套综合的软件组成的，能够使用高性能的碳纤维热塑性料3D打印出复杂的复合部件。RAM搭载的是ABB公司最小型号的机械臂——IRB120，不过其所使用的可扩展软件是可以匹配和支持更大的型号的，根据型号的不同，其构建体积最小为1O00mm3，最大可达8O00mm3。末端执行器的硬件包括一个用于处理高性能碳纤维增强热塑性塑料的热管理沉积头。Arevo公司软件套件将计算机辅助设计模型转换为一组执行增材制造的指令发送给机器人。该软件提供了六度的自由度和多轴的工具路径，机器臂在三维表面可变方向。一个精确的运动学仿真解释材料沉积指令验证和优化打印过程。
2.ImpossibleObjects
该公司拥有专利的复合材料3D打印工艺(CBAM)工艺，能将特定材料以层层堆积的方式成型，并用内置热源将它们融合在一起。打印完成后将不需要的材料移除即可。ImpossibleObjects公司将强度更高的材料用于3D打印技术，比如碳纤维、芳纶(Kevlar)和玻璃纤维等。打印完成后的零部件要比使用传统热塑性材料3D打印出来的部件强度要高2～1O倍。由于其独特的复合材料构成，用户也可以通过定制以用于各种应用，包括热和化学腐蚀等环境。ImpossibleObjects的创始人RobertSwartz认为，能够打印碳纤维部件将让3D打印技术在很多领域更加有用。目前由3D打印的塑料部件其性能并不好，而想要提高性能，就需要更好的材料。ImpossibleObjects研发了新工艺。新工艺避免打印碳纤维，而从碳纤维布开始。在碳纤维布的上方，打印机根据数字指令精准地喷涂清洗液，然后根据设计加入树脂；将碳纤维布堆积并加热，使树脂融化，与碳纤维结合；最后，将未能与树脂结合的碳纤维去除。Impossible0bjects已根据新工艺做出了可供出售的设备。当前的商业模式是为客户提供高强度塑料产品的打印服务，他们正在将其CBAM技术设备商业化，下一步就将直接出售设备。
3.Electroimpact
该公司的旗舰设备是自动纤维铺放设备(AFP)。它采用了超薄碳纤维预浸带或者预浸丝自动铺放技术，可以实现十分精细的打印质量。该设备具有一条长达6.4m的机械臂，头部有16个类似于老式缝纫机上线轱辘的装置，整个手臂被架置在12m长的轨道上，可以围绕模型快速运动并同时进行打印，所以能显著缩短零部件和原型产品的生产时间并降低成本。AFP的基本原理与常规FDM打印机类似，可以打印最长近8m的部件，在不平整和复杂的表面上，打印速度可以达到惊人的5Om／min。一些知名机构和企业已经采购了AFP的设备和产品，比如美国宇航局(NASA)的马歇尔航天就购买了AFP的打印品作为制造航天器的零件，同时波音也购买了多台Electroimpact公司的AFP设备，希望用来制造科技机翼上的复合材料结构。
4.MarkForged
该公司在2年前推出了全球首款能打印复合材料的桌面3D打印机MarkOne。该设备的成型尺寸为305mm×160mm×160mm，能够使用碳纤维和其它复合材料直接制作出在机械性能上足以与金属部件媲美的“连续纤维加固”塑料类部件。这款机器有2个打印头，一个会使用尼龙材料，另一个会使用碳纤维、玻璃纤维等高强度纤维材料，然后联合制造出强度可以媲美甚至超过铝制品的超强部件。MarkForged的CEOGregMark认为，碳纤维价格昂贵一个重要原因是它的制作工艺：复杂、耗时、人力需求大。Mark认为他们公司开发的新技术简单到只要在电脑里设计好部件，点击按钮，几个小时后就部件就出来了。由于设备的应用广泛、实用性极强，该公司在2015年实现了400％的收益。
5.GermanRepRap
总部位于德国慕尼黑的GermanRepRap公司以其高品质的3D打印机及3D打印线材而知名。随着行业的不断增长，2015年7月20日，该公司宣布又推出一款新的3D打印碳纤维线材Carbon20。公司介绍称，这是一款可以用于3D打印功能性部件的线材。Carbon20线材中含有20％的碳纤维，这也是它名字的由来。它十分适合3D打印那些需要拥有可靠的刚性、硬度的工业零部件。
6.东京理科大学机械工学科
松崎亮介团队成功地开发了能3D打印碳纤维复合材料的3D打印机。把长丝碳纤维浸泡在热塑性树脂里，进而打印出立体造型。用试验片进行测试，其拉伸强度较热塑性树脂提高了6倍。今后，将进一步提高碳纤维的密度，打印出更高强度的的复合材料造型。
由超级树脂工业(东京都稻城市)、日本大学、东京工业大学、宇宙航空研究开发机构(JAXA)共同组成的经济产业省战略性基础技术事业的成果。用碳纤维和热塑性树脂混合制作出3D打印头，然后向打印头提供浸泡过树脂的碳纤维。打印之前，碳纤维需要先加热，使树脂能更容易在纤维与纤维之间渗透扩散。挤出来的树脂可以持续不断地提供给3D打印用的碳纤维。纤维与树脂的混合比例，可以根据打印需求进行调整。
当碳纤维与热塑性树脂聚乳酸的组合使用时、体积纤维的占有率为6.6％，拉伸强度达到是200MPa，增加了6倍。弹性模量达到20GMPa，增加了4倍。现阶段，该团队已完成打印头的制作并能成功进行3D打印。今后，他们目标将碳纤维密度提高10倍左右，以进一步提高打印精度。
来源：3D 打印碳纤维增强塑料及复合材料的增材制造与应用