碳纖維由沿著細長晶體結構方向排列的碳原子組成，直徑為5-10微米。這些纖維既可以單獨使用，也可以將數千根碳纖維單絲捆束起來組成纖維束加以使用。在現代製造業中，碳纖維通常會與其他材料結合構成復合材料來使用。在與熱塑性或熱固性樹脂基體相結合時，碳纖維束可以採用多種形式用於工程應用。最常見的應用是，將它們纏繞在心軸上成管狀，將它們拉模以擠壓成型，或者將它們編織成帶狀物和織物。上述碳纖維組合方式可以產生超高強度的自定義的幾何形狀，廣泛用於航空航天、汽車、軍事和其他行業。碳纖維組合後可增強機械性能以及耐熱和耐化學腐蝕特性，使其成為高級製造的理想選擇。碳纖維具有很強的剛性和抗拉伸強度，而相對密度卻遠低於鋼和鋁。碳纖維的強度重量比極高，因此被廣泛用於航空航天和汽車行業。
隨著3D列印技術的成熟，製造商一直在努力融入碳纖維材料以提高零件的強度和耐用性。最常見的兩種實現方式是短纖維填充材料3D列印和連續纖維3D列印。接下來，我們將結合Markforged 基於材料擠出工藝的連續碳纖維3D列印技術，從材料性能、主要優點以及如何合理優化連續碳纖維3D列印零件，幾個方面進一步了解連續碳纖維3D列印。
碳纖維3D列印技術分類
3D科學谷白皮書
/ 基於材料擠出工藝的連續碳纖維3D列印
連續碳纖維是採用熱塑性塗層的長碳纖維束。然後，使用連續纖維增強 (Continuous Fiber Reinforcement, CFR) 過程將這些纖維束鋪設到熱塑性 FFF 3D列印零件中。在此過程中，通過加熱的噴嘴擠出材料，將熱塑性塗層熱熔合到零件上。在3D列印零件的每一層中，纖維可以按照各種2D方向放置。用連續碳纖維增強的零件其強度會提高，可與採用傳統復合材料鋪陳的方式製造的零件相媲美。
而在短纖維填充線材中，短纖維之間不連續的特性會導致壓力通過基體材料傳遞，從而機械強度的相應提升並不明顯。在CFR零件中，拉伸和彎曲負荷會施加到長纖維束上，對基體聚合物的負荷將降到最低，從而帶來大量機械性能的提升。零件可以採用多種不同的方式進行增強，以針對不同的負荷條件進行優化。連續纖維增強技術不僅包括碳纖維，還包括連續玻璃纖維、Kevlar 和高強度高溫 Fiberglass 等材料。
/ 動態纖維含量
在使用連續纖維增強工藝時，用戶可以通過兩種方式動態控制零件中的纖維量：更改一層中的纖維量；以及指定要增強的層數。此控制使得工程師能夠根據所需的強度精確地進行3D列印。
/ 主要優點
與短纖維填充線材所帶來的遞增式改進不同，連續纖維能夠實現零件性能的跨越式改進。連續纖維的優點包括：
+能夠媲美與鋁合金相當的強度，連續碳纖維增強的3D列印件在實際應用中可以取代機加工的零件。
+增強的剛度、抗衝擊性、耐熱性和耐用性可以通過一系列特定連續纖維增強材料（包括 Kevlar 和 Fiberglass）來實現。
+連續纖維補充填充線材。例如，Markforged 在Onyx基體材料中使用短碳纖維來提高3D列印零件的精度和表面光滑度，使用連續碳纖維將強度和剛度提高了十倍。
/ 根據負載需求對纖維進行戰略布置
與纖維填充線材不同，連續纖維增強復合材料的製造通過連續纖維增強的額外工藝來實現。CFR工藝使得用戶可以在其零件中靈活地實現連續纖維；這樣，用戶可以更好地控制要添加到零件中的碳纖維量。雖然可以隨意地使用連續纖維填充3D列印零件，但只有在根據負載需求對纖維進行戰略布置後才能實現最好的效果。經過優化的零件可以使用較少的材料獲得相同的預期效果，這樣還可以縮短製造時間和減少製造成本。
在考慮使用連續纖維時，可控性是一項關鍵優勢。該可控性可以通過兩種關鍵方法來落實：
1. 確定是否在零件的每一層中放置連續纖維
2. 確定每個需要增強的列印層的增強策略
/ 零件常用的連續纖維技術示例
夾芯板
像傳統的復合材料鋪設部分一樣，在頂部和底部添加連續纖維。在大多數彎曲負載條件下，零件表面的應力集中程度是最高的。夾芯板用於抵抗Z方向的力。
外殼
外殼與夾芯板相似，但在每一層的壁內使用連續纖維構成的閉環。為了進行外殼增強，將連續纖維放置在每層的外圍，以抵抗沿 XY 平面的力。
條帶
在零件關鍵區域採用添加了連續纖維「條帶」的夾芯板。條帶可在較高的夾芯板中使用，用於分散負荷，從而降低填充物屈曲的風險。
連續碳纖維是Markforged獨有的超高強度材料，將其鋪設到 Onyx 等復合基材上時，可以生產出強度與 6061-T6 鋁合金相媲美的零件。它具有極高剛度和超高強度，可以採用 Markforged 3D 印表機自動鋪設成各種幾何形狀。
Markforged 打造了可無縫協作硬體、軟體和材料的增材製造平台The Digital Forge，旨在集成到製造用戶現有的製造生態系統中，消除設計與功能性零件之間的障礙。