導讀：連續(xù)碳纖維是3D打印中最具潛力的材料之一，因為它可以將脆弱的聚合物部件轉(zhuǎn)化為幾乎具備金屬部件強度的物品。然而，對于碳纖維的使用存在一些難度。

3D 打印中連續(xù)碳纖維的優(yōu)化布局，圖片來自：ArXiv

近日，研究人員開發(fā)了一種在3D打印中使用連續(xù)碳纖維的新方法。首先，我們先來回顧一下已有的兩種方案。第一種方法是碳纖維復合材料。基本原理是將標準聚合物與切碎的碳纖維混合并形成絲狀材料。碳纖維在其中的作用類似于混凝土中的碎石，使得固化后的材料更為堅固。

但在熔融沉積成型（FFF）3D打印機中使用這種材料時，有一個限制：切碎的碳纖維長度必須遠小于噴嘴直徑。這意味著它們的長度必須小于0.4毫米，通常會更短。如果纖維過長，可能會聚集在一起導致噴嘴堵塞。

雖然這種“CF”部件確實更強，但它們只利用了這些微小長度的碳纖維。那么，能否使用更長的碳纖維呢？答案是肯定的！一些公司，如Markforged和奈索三維（Anisoprint），提供的專用3D打印機能夠打印連續(xù)碳纖維。

所謂“連續(xù)”碳纖維，指的是纖維長度不固定，可以根據(jù)部件的需要進行調(diào)整。這些機器配有碳纖維絲卷和聚合物絲卷。在打印過程中，專用工具頭會在聚合物層之間鋪設(shè)連續(xù)碳纖維，使部件具有極高的強度。

但這過程極具挑戰(zhàn)性。為了最大化碳纖維的強度，纖維的長度必須盡可能長。例如，如果打印一個螺旋槳，你希望纖維和葉片一樣長。如果將纖維剪成兩半，會在葉片上引入弱點。

這意味著需要找到一種方法，將這些長纖維“穿入”打印中。

事實證明，以最佳方式實現(xiàn)這一點相當復雜。切片軟件必須生成復雜的工具路徑，以鋪設(shè)纖維，但不能在同一層上重疊或引入其他問題。目前的商業(yè)產(chǎn)品確實能做到這一點，但可能沒有充分發(fā)揮連續(xù)碳纖維的潛力。

據(jù)資源庫了解，德國的研究人員開發(fā)了一種優(yōu)化使用連續(xù)碳纖維的新方法。

他們解釋了這種方法：

“我們提出了一種新方法，通過創(chuàng)建連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料3D打印的工具路徑?？梢詫崿F(xiàn)承重連接，同時避免路徑交叉不可制造的問題。我們需要一個包含給定連續(xù)纖維連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。通過解決線性整數(shù)優(yōu)化問題，可以為每一打印層獲得最佳纖維模式。每一層的解決方案可能會基于前一層的歷史而有所不同。”

他們的方法涉及使用貝塞爾曲線（樣條）和復雜的邏輯來檢測和避免重疊，需要解決多個離散線性規(guī)劃問題。根據(jù)輸入幾何形狀和優(yōu)化需求，這一過程非常復雜，但能顯著增強部件的強度。

這項重要的發(fā)展如果被連續(xù)碳纖維3D打印機制造商采用，可能會極大地增強部件的強度。值得注意的是，這種算法不需要在硬件上對現(xiàn)有連續(xù)碳纖維設(shè)備進行很大的改動。

導讀：連續(xù)碳纖維是3D打印中最具潛力的材料之一，因為它可以將脆弱的聚合物部件轉(zhuǎn)化為幾乎具備金屬部件強度的物品。然而，對于碳纖維的使用存在一些難度。

3D 打印中連續(xù)碳纖維的優(yōu)化布局，圖片來自：ArXiv

近日，研究人員開發(fā)了一種在3D打印中使用連續(xù)碳纖維的新方法。首先，我們先來回顧一下已有的兩種方案。第一種方法是碳纖維復合材料。基本原理是將標準聚合物與切碎的碳纖維混合并形成絲狀材料。碳纖維在其中的作用類似于混凝土中的碎石，使得固化后的材料更為堅固。

但在熔融沉積成型（FFF）3D打印機中使用這種材料時，有一個限制：切碎的碳纖維長度必須遠小于噴嘴直徑。這意味著它們的長度必須小于0.4毫米，通常會更短。如果纖維過長，可能會聚集在一起導致噴嘴堵塞。

雖然這種“CF”部件確實更強，但它們只利用了這些微小長度的碳纖維。那么，能否使用更長的碳纖維呢？答案是肯定的！一些公司，如Markforged和奈索三維（Anisoprint），提供的專用3D打印機能夠打印連續(xù)碳纖維。

所謂“連續(xù)”碳纖維，指的是纖維長度不固定，可以根據(jù)部件的需要進行調(diào)整。這些機器配有碳纖維絲卷和聚合物絲卷。在打印過程中，專用工具頭會在聚合物層之間鋪設(shè)連續(xù)碳纖維，使部件具有極高的強度。

但這過程極具挑戰(zhàn)性。為了最大化碳纖維的強度，纖維的長度必須盡可能長。例如，如果打印一個螺旋槳，你希望纖維和葉片一樣長。如果將纖維剪成兩半，會在葉片上引入弱點。

這意味著需要找到一種方法，將這些長纖維“穿入”打印中。

事實證明，以最佳方式實現(xiàn)這一點相當復雜。切片軟件必須生成復雜的工具路徑，以鋪設(shè)纖維，但不能在同一層上重疊或引入其他問題。目前的商業(yè)產(chǎn)品確實能做到這一點，但可能沒有充分發(fā)揮連續(xù)碳纖維的潛力。

據(jù)資源庫了解，德國的研究人員開發(fā)了一種優(yōu)化使用連續(xù)碳纖維的新方法。

他們解釋了這種方法：

“我們提出了一種新方法，通過創(chuàng)建連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料3D打印的工具路徑?？梢詫崿F(xiàn)承重連接，同時避免路徑交叉不可制造的問題。我們需要一個包含給定連續(xù)纖維連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。通過解決線性整數(shù)優(yōu)化問題，可以為每一打印層獲得最佳纖維模式。每一層的解決方案可能會基于前一層的歷史而有所不同。”

他們的方法涉及使用貝塞爾曲線（樣條）和復雜的邏輯來檢測和避免重疊，需要解決多個離散線性規(guī)劃問題。根據(jù)輸入幾何形狀和優(yōu)化需求，這一過程非常復雜，但能顯著增強部件的強度。

這項重要的發(fā)展如果被連續(xù)碳纖維3D打印機制造商采用，可能會極大地增強部件的強度。值得注意的是，這種算法不需要在硬件上對現(xiàn)有連續(xù)碳纖維設(shè)備進行很大的改動。