复合材料，例如碳纤维增强塑料，是高度通用的高效材料，推动了从航空航天到医疗保健等各个市场的创新。其性能优于钢、铝、木材或塑料等传统材料，可用于制造高性能的轻质产品。
在本指南中，了解制造碳纤维部件的基础知识，包括不同的碳纤维叠层、层压和成型方法，以及如何使用 3D 打印制造碳纤维模具以降低成本和节省时间。
复合材料 101
复合材料是两种或多种成分的组合，其特性不同于那些单独的成分本身。工程性能通常会得到改善，例如增加强度、效率或耐用性。复合材料由增强材料制成－纤维或颗粒 - 通过基质（聚合物、金属或陶瓷）结合在一起。
纤维增强复合材料 (FRP) 占据着市场主导地位，推动了各行各业新应用方式的增长。其中，碳纤维是一种广泛使用的复合材料，特别适用于飞机、赛车和自行车，因为它的强度和刚度是铝的三倍以上，但重量却轻了 40%。它由增强碳纤维与环氧树脂连接而成。
纤维可以定向单织并策略性地对齐以产生相对于矢量的强度。交叉编织纤维可用于在多个向量中产生强度，它们还负责复合部件的标志性绗缝外观。将两者结合起来生产部件是很常见的。有多种类型的光纤可用，包括：
| 玻璃纤维 | 碳纤维 | 芳纶纤维（凯夫拉） |
|---|---|---|
| 最受欢迎的纤维 重量轻，抗拉和抗压强度 适中，成本低，易于使用 | 业内最高的强度和刚度重量比（最终的拉伸、压缩和弯曲强度） 比其他纤维更昂贵 | 比碳纤维具有更高的抗冲击性和耐磨性 抗压强度低 难以切割或加工 |
树脂用于将这些纤维固定在一起并形成刚性复合材料。虽然可以使用数百种类型的树脂，但以下是最受欢迎的树脂：
| 树脂 | 优点 | 不足 | 固化 |
|---|---|---|---|
| 环氧树脂 | 最高的极限强度 最轻的重量 最长的保质期 | 最昂贵 对混合比和温度变化敏感 | 使用特定的硬化剂（两部分系统 ） 一些环氧树脂需要加热 |
| 聚酯 | 易于使用（最受欢迎） 抗紫外线 成本最低 | 低强度和耐腐蚀性 | 用催化剂固化 (MEKP) |
| 乙烯基酯 | 结合了环氧树脂的性能和聚酯纤维的成本 最佳的耐腐蚀性、耐温性和伸长率 | 强度比环氧树脂低，成本比聚酯纤维高 保质期有限 | 用催化剂固化 (MEKP) |
制造碳纤维部件的三种方法
制造纤维增强聚合物（例如碳纤维部件）是一种技术娴熟且劳动密集型的工艺，可用于一次性和批量生产。根据部件的尺寸和复杂性，其循环时间从 1 小时到 150 小时不等。在 FRP 制造中，通常是将纤维丝在基体中连接起来，形成单独的层，然后逐层压在最终部件上。
复合材料的特性与层叠过程一样受材料的影响：纤维的结合方式会极大影响部件的性能。热固性树脂与增强材料一起在工具或模具中成型，并固化以形成坚固的产品。有多种层压技术可用，可分为三种主要类型：
1. 湿铺
在湿法铺设中，纤维被切割并铺设到模具中，然后通过刷子、辊子或喷枪施加树脂。这种方法需要更多技能来制造高质量的部件，但它也是开始制作 DIY 碳纤维部件的成本最低、要求最低的工作流程。如果您不熟悉碳纤维部件制造并且尚未配备相关设备，我们建议从湿法手工层压开始。
观看视频，了解湿碳纤维叠层工艺的工作原理。
2. 预浸料层压
通过预浸料层压，树脂被注入到前面的纤维中。预浸渍的片材冷藏保存以抑制固化。然后将层片在高压釜中在加热和压力下固化到模具中。这是一个更精确和可重复的过程，因为树脂的数量是可控的，但它也是最昂贵的技术，通常用于高性能应用。
3.树脂传递模塑（RTM）
通过 RTM 成型，干纤维被插入一个两部分的模具中。闭合模具后，利用高压将树脂压入型腔。此过程通常自动进行，可用于大批量生产。
使用 3D 打印为碳纤维部件制造创建模具
由于模具的质量直接影响最终部件的质量，因此工具制造是 FRP 制造的一个关键方面。大多数模具由蜡、泡沫、木材、塑料或金属通过 CNC 加工或手工制作而成。虽然手动技术是高度劳动密集型的，但 CNC 加工仍然遵循复杂、耗时的工作流程－尤其是对于复杂的几何形状－而且外包通常成本高昂，交货时间长。这两种选择都需要熟练的工人，并且在设计迭代和模具调整方面几乎没有灵活性。
增材制造提供了一种以低成本快速生产用于制造碳纤维部件的模具和模型的解决方案。聚合物模具在制造过程中的使用不断增长。用内部打印的塑料部件代替金属工具是一种强大且具有成本效益的方法，可以缩短生产时间，同时扩大设计灵活性。工程师已经使用聚合物树脂 3D 打印部件来制造夹具和固定装置，以支持纤维缠绕或自动纤维放置等方法。同样，在注射成型、热压成型或钣金成型中使用快速打印模具和模粒来交付小批量产品。
内部桌面级 3D 打印只需要少量设备，可降低工作流程的复杂性。Form 3+ 等专业桌面级树脂打印机价格实惠、易于实施，并且可以根据需求快速扩展。使用 Form 3L 等大幅面 3D 打印机也可以制造大型工具和模具。
立体光固化 (SLA) 3D 打印技术可制造表面光洁度非常光滑的部件，这对于碳纤维叠层模具至关重要。该技术可实现高精度的复杂几何结构。此外，Formlabs 树脂库中提供具备优秀机械和热性能的工程材料，可与模具和模型制造完美适配。
用于制造碳纤维部件的 3D 打印模具可以降低成本并缩短交货时间。
对于小规模生产，工程师可以在几个小时内以低成本直接打印模具，无需手工雕刻或处理CNC设备； CAM 软件、机器设置、工件夹持、工具和排屑。模具制作的所需的劳动力和周转时间大大减少，可实现快速设计迭代和部件定制。制造商可以打造传统方法无法实现的复杂模具形状和精细细节。
柏林工业大学 (FaSTTUBe) 的方程式学生团队为赛车制造了十几个碳纤维部件。团队中的工程师直接在 Formlabs Tough 1500 Resin 打印的模具上手工层压。这种树脂的特点是拉伸模量为 1.5GPa，断裂伸长率为 51%。它不仅在铺层过程中具有强大的支撑力，而且在固化后具有足够的柔韧性以将部件与模具分离。
带有碳纤维部件制造装置的 FaSTTUBe 测试台。
虽然这种技术与大量固化条件无关，但其他层压工艺通常涉及更高的压力和温度。DeltaWing Manufacturing 公司使用 High Temp Resin ，通过预浸工艺制造气流组件。High Temp Resin 在 0.45MPa 的条件下，热变形温度 (HDT) 为 238°C，能够承受高压釜的热量和压力。DeltaWing Manufacturing 一直在直接打印模具，以生产约 10 个定制系列部件。
由 DeltaWing Manufacturing 生产的碳纤维挡泥板风管，旁边是由 High Temp Resin 打印的两片式模具。
直接 3D 打印聚合物模具是优化快速生产的绝佳工具。然而，与传统模具相比，它们的使用寿命缩短，因此并不适合大批量生产。
为了提高产量，DeltaWing Manufacturing 使用 High Temp Resin 打印模具模型，然后使用树脂进行铸造。对于需要大量固化条件且不适用于 3D 打印模具的层压工艺，打印模型也是一种强大的替代方案。制造商可以按需打印定制模型，并且仍然从他们的模具制造技术中消除了一个步骤，即模型制造。
碳纤维 3D 打印
目前，业内十分需要能够将传统碳纤维部件的强度、耐用性和坚固性与 3D 打印的灵活性、几何可能性和可重复性相结合的工作流程。因此，许多 3D 打印公司都在积极提供碳纤维 3D 打印解决方案，而目前可用的两种工艺是使用短切纤维或连续纤维进行打印。
在 Fuse 1+ 30W 选择性激光烧结 (SLS) 工业级 3D 打印机中使用包含短切碳纤维的 Nylon 11 CF Powder 可协助制造商生产坚固、轻质且耐高温的部件，而无需依赖传统的覆盖或加工方法。
Formlabs Nylon 11 CF Powder 坚固、轻质、耐热，是汽车、航空航天和制造应用的理想选择。
开始使用碳纤维制造
纤维增强复合材料制造是一项令人兴奋的工艺，但过程较为复杂并需要大量劳动力。使用 3D 打印的模具和模型打造碳纤维部件，使企业能够降低工作流程的复杂性、扩大灵活性和设计机会，并减少成本，缩短周转时间。
通过与 TU Berlin 和 DeltaWing Manufacturing 的案例研究，我们的白皮书中介绍了三种工作流程，可以在复合材料制造中利用 3D 打印快速制造模具和模型。
