導(dǎo)讀：連續(xù)碳纖維是3D打印中最具潛力的材料之一，因?yàn)樗梢詫⒋嗳醯木酆衔锊考D(zhuǎn)化為幾乎具備金屬部件強(qiáng)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(fù)合材料?；驹硎菍?biāo)準(zhǔn)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(jiān)固。

但在熔融沉積成型（FFF）3D打印機(jī)中使用這種材料時(shí)，有一個(gè)限制：切碎的碳纖維長度必須遠(yuǎn)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(huì)更短。如果纖維過長，可能會(huì)聚集在一起導(dǎo)致噴嘴堵塞。

雖然這種“CF”部件確實(shí)更強(qiáng)，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(jī)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(jìn)行調(diào)整。這些機(jī)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(huì)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(qiáng)度。

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

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(shí)證明，以最佳方式實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)相當(dāng)復(fù)雜。切片軟件必須生成復(fù)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(shí)能做到這一點(diǎn)，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(qiáng)熱塑性塑料3D打印的工具路徑?？梢詫?shí)現(xiàn)承重連接，同時(shí)避免路徑交叉不可制造的問題。我們需要一個(gè)包含給定連續(xù)纖維連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(huì)基于前一層的歷史而有所不同?！?br />
他們的方法涉及使用貝塞爾曲線（樣條）和復(fù)雜的邏輯來檢測和避免重疊，需要解決多個(gè)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(fù)雜，但能顯著增強(qiáng)部件的強(qiáng)度。

這項(xiàng)重要的發(fā)展如果被連續(xù)碳纖維3D打印機(jī)制造商采用，可能會(huì)極大地增強(qiáng)部件的強(qiáng)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(jìn)行很大的改動(dòng)。

導(dǎo)讀：連續(xù)碳纖維是3D打印中最具潛力的材料之一，因?yàn)樗梢詫⒋嗳醯木酆衔锊考D(zhuǎn)化為幾乎具備金屬部件強(qiáng)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(fù)合材料?；驹硎菍?biāo)準(zhǔn)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(jiān)固。

但在熔融沉積成型（FFF）3D打印機(jī)中使用這種材料時(shí)，有一個(gè)限制：切碎的碳纖維長度必須遠(yuǎn)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(huì)更短。如果纖維過長，可能會(huì)聚集在一起導(dǎo)致噴嘴堵塞。

雖然這種“CF”部件確實(shí)更強(qiáng)，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(jī)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(jìn)行調(diào)整。這些機(jī)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(huì)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(qiáng)度。

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

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(shí)證明，以最佳方式實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)相當(dāng)復(fù)雜。切片軟件必須生成復(fù)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(shí)能做到這一點(diǎn)，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(qiáng)熱塑性塑料3D打印的工具路徑?？梢詫?shí)現(xiàn)承重連接，同時(shí)避免路徑交叉不可制造的問題。我們需要一個(gè)包含給定連續(xù)纖維連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(huì)基于前一層的歷史而有所不同?！?br />
他們的方法涉及使用貝塞爾曲線（樣條）和復(fù)雜的邏輯來檢測和避免重疊，需要解決多個(gè)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(fù)雜，但能顯著增強(qiáng)部件的強(qiáng)度。

這項(xiàng)重要的發(fā)展如果被連續(xù)碳纖維3D打印機(jī)制造商采用，可能會(huì)極大地增強(qiáng)部件的強(qiáng)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(jìn)行很大的改動(dòng)。