详细阐述碳纤维3D打印应用

| 3DScienceValley · 2023/04/21

以下文章来源于华融普瑞

连续纤维增强 (CFR) 是Markforged推出的一项创新技术和独特工艺，它正在快速推动现代制造商对碳纤维3D打印的采用。

本文将深入探讨如何通过功能性3D打印零件来实现业务转型。我们将审视CFR工艺相对于传统制造工艺所具有的优势，将这些优势与制造应用联系起来，并研究现代制造商如何利用CFR的优势。

何为CFR

CFR是一种使3D打印机可以用连续纤维来强化熔丝加工 (FFF) 零件的工艺。具有CFR功能的设备使用双挤出系统：一个用于传统的FFF线材，另一个用于长股的连续纤维，逐层铺设连续纤维，替代FFF填充物。由此制作出的零件会显著提升强度(最高可达任何FFF材料的10倍)，并可替代应用中的铝制零件。

碳纤维3D打印工艺优势

以更低成本制造出复杂的3D几何体

得益于能够自动生成机器指令的切片和打印工艺，3D打印机擅于制造复杂的几何体。在减材机器中，复杂度和成本之间呈指数关系：复杂的2D几何体需要2轴或3轴CNC铣床，而3D几何体则需要3至5轴CNC铣床。这些机器的编程和操作费用很高，这使得传统的制造设计 (DFM) 指南推崇使用复杂度较低的零件。如果零件是复杂的3D几何体并且需要很高的强度，只有CFR能够实现金属级强度。

高度可定制

CAD至零件的简单流程使CFR用户能够快速地更改设计来解决具体问题。在传统制造中，制造商面临的挑战是必须在低成本、通用型解决方案和非常昂贵的一次性零件之间作出选择。少量改变通常就会导致成本大幅上升，幸运的是，CFR 3D打印使用户能够轻松制造定制的一次性零件。

针对功能性零件的门槛低

许多3D打印技术实现了可定制性和复杂零件的低成本，CFR的与众不同之处在于，针对功能性零件它也能实现上述特点。与FFF 3D打印零件相比，CFR制造的零件具有相当大的优势和特性，其中包括：

零件更坚固
CFR使您能够动态地将零件强度从塑料强度变成铝强度。这使用户能够设计所需强度的零件并对零件进行3D打印。
耐用性
由于连续纤维具备高强度、高刚度和耐用性，CFR零件在应用中的使用寿命长于任何其他FFF 3D打印零件。此外，填充塑料也具有很高的耐磨性和韧性。

由于CFR 3D打印机能够制造功能性零件，这种打印机在以下几个关键方面使生产手段更符合工程师的要求：

无需等待报价
当有需求的时候，制造商无需将零件图纸发出，等待第三方报价。
自动化制造过程
由于3D打印机是完全自动化的，因此无需人工即可制造零件。
需求点零件
3D打印机适应性强，价格适中，适合大多数企业投资。传统制造通常需要购买昂贵的机器，外包零件，并且还可能需要大量部署空间。
耐热和耐化学腐蚀
CFR零件在大多数生产环境中都能抵抗环境热量，并且经过增强的短纤维填充线材具有极强的耐化学腐蚀性。

CFR应用

前面我们了解CFR的部分优势，该技术在整个制造领域具有广泛的应用兼容性，下面我们来看一些CFR应用：

01 保形工具和夹具

现代制造商可以利用CFR零件的自由几何复杂性和高功能性，轻松地制造出可以在任何方向容纳复杂零件的夹具。

保形工具和夹具可以与CNC机床协同工作，例如，可以制造保形工具以使CNC机床能够执行原本无法完成的操作。此外，保形夹具所开创的新制造工作流程更经济、更简单且更省时。这样才能够生产更复杂的零件，而原本用制造工具生产这些零件的成本太高了。

此外，保形工具的性能通常高于标准工具的性能，这是因为它们与待夹持工件之间的表面接触更全面。它们要比所替代的零件更轻、更硬且更坚固。由于3D打印的成本较低，因此制造商可以为他们的零件制造各种各样的定制保形工具。

保形工具案例：

● 软钳口

用于在铣削、钻孔、切割或通过其他方式加工工件时夹持工件的保形工具。

● 末端工具 (EOAT)

组装接触面零件或末端执行器，例如机械臂上的定制夹具手指。

末端工具 (EOAT)

● 成型工具

CFR零件可以按定制几何形状进行设计和打印，从而制作钢和铝质的钣金零件。连续纤维使这些零件具有高强度和耐用性，从而可以精确地操作数千次循环。

成型工具

● 专用测型仪(又称检查仪表)

定制打印零件，旨在与制造的零件或装配件对接以快速确定它是否符合规格。

● CMM检查夹具

使用定制CMM夹具可以加快复杂零件的CMM设置并提高其可重复性。

02 人体工程学和效率工作辅助

CFR制造已广为普及，企业可使用此技术来打印过去通常难以制造的零件，这些零件可以提高效率，连接或集成其他零件或者帮助完成手动任务。此外，CFR零件可以针对不同的制造操作进行高度定制，并定期进行迭代以融合反馈。

装配夹具和底板

产品装配通常是一项高度依赖手动的任务，在此过程中，人体工程学方面的些许改进可以促使效率大幅提高。利用CFR 3D打印，企业能够设计和制造这样的零件：它们能够提高劳动力的工作效率，并减少重复性劳损 (RSI)。

装配夹具和底板

用于制造单元的零件

一旦有能力按需制造功能性零件，制造商便能快速构思、设计和实施用于制造单元和工厂的零件。无论这些零件是支架、传感器基架、导轨还是其他零件，都能减少与CNC制造零件相关的交货时间、成本和人力。

工作辅助

CFR 3D打印零件可将耗时的手动任务变成简单任务。对于一些公司来说，内部加工可能需要8-12周的时间，但有了CFR之后，时间可以缩短到几天。

03 迭代工具

CFR降低了制造功能性零件的门槛，这使现代制造商能够更轻松地迭代和生产以低成本提供更多价值的零件。

原型件

原型件是3D打印机的最常见用例，借助CFR，用户可以大幅提高原型件生产能力。利用功能性原型件，可以及早进行测试并获得更多信息，从而形成您的最终零件设计。

桥接工具

与原型件一样，工具在被锁定之前通常需要进行多次迭代和大量工作。CFR 3D打印的早期工具可以生产出初步零件，从而为制造商提供有价值的信息，帮助他们了解在大规模生产之前其制造过程的工作方式。

04 备用零件

许多关键零件不再得到原始制造商的支持，或者由于供应链限制而需要太长时间才能获得。制造商的另一个痛点是处理那些易碎且不符合所需标准的零件。CFR 3D打印提供了必要的技术手段和敏捷性，能够快速轻松地制造各种几何形状的功能性备用零件，要么作为备用件，要么作为对原始零件的改进。备用零件不限于单个应用，它们可以采用工具、夹具或最终用途零件的形式，延长设备的寿命，并实现持续改进。

无人机原型机

功能性零件由什么组成？

根据定义，功能性是指零件满足其设计意图的能力。以下每项要求均是3D打印零件的常见功能性要求。我们已定义每项要求，包括短纤维填充聚合物和CFR如何满足要求，并重点介绍了哪种技术会产生更大的影响。Markforged零件采用了这两种技术，并用连续纤维强化了短碳纤维填充的聚合物。

下面突出显示了每个功能性要求的主要驱动因素：

“功能性”不是制造领域的单一术语，不同的应用对功能性有不同的要求。下面，我们将3D打印需要满足的功能性要求与各种常见应用对应起来。我们将功能性要求分为关键和推荐，其中“关键”是指应用中几乎所有零件都有的要求，“推荐”是指不那么重要或不太通用的要求。请务必注意，即使在具体的应用中，功能性要求也有各种各样的内容，这一点应作为普遍规则。

CFR显著优势

Markforged是第一家生产能够使用连续纤维强化零件的3D打印机公司，这将使复合材料零件具有高强度，足以取代机加工金属。如前所述，CFR的优势和好处挖掘出了各种应用的潜力，这些应用已帮助现代制造商实现业务转型。

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总结