高性能複合材料3D列印發展現狀

近兩年，隨著硬化鋼噴嘴和高溫擠出機的普及越來越多的企業和個人使用者開始嘗試使用工程性能材料如聚碳酸酯(PC)、尼龍和碳纖維複合材料進行3D列印。這一趨勢不僅推動了自動化生產線中3D列印設備的使用，也為生產效率的提升帶來了顯著影響。
 

國際知名企業引入Raise3D高速碳纖維3D列印設備時間

汽車和汽車零件企業更願意使用複合線材
 
 

某電動車廠商檢測部門使用Raise 3D列印設備列印技術
 

2023年，財富500強的224家製造業企業中，已有約1/3導入Raise3D高性能維複合線材3D列印方案，其中34家是汽車及汽車零件相關企業，占75%。其中縮短測試和研發週期仍然是用戶的主要使用場景。

 縮短測試和研發週期依然是3D列印主要用途

人形機器人與3D列印

隨著人工智慧技術的快速發展，通用人形機器人深受市場矚目。為了加快產品研發和縮短上市時間，同時兼顧減輕負載重量，機器人企業普遍採用3D列印高性能複合線材進行零件生產製造。
 

中國知名人形機器人企業傅立葉智能使用Raise3D列印設備

高性能複合線材列印的挑戰

儘管3D列印技術帶來了諸多便利，但在使用高性能複合材料時，用戶仍面臨一些挑戰：

挑戰1：“碳纖維”材料的普遍認知

傳統的碳纖維產品通常以環氧樹脂為基材，以碳纖維布或連續纖維為做為增強的材料，其性能普遍優於複合纖維線材3D列印。許多用戶因“碳纖維”三個字而嘗試購買列印，特別是前陣子討論度很高的PLA-CF，但因為其和普通PLA性能無明顯差別，而對複合纖維線材用在3D列印上的強度感到失望。事實上，3D列印複合纖維材料不僅與傳統的連續纖維布有明顯的性能差異外，線材的纖維添加比例、以及基材的種類會直接影響3D列印出來的零件的物性表現。

 不同基材樹脂導致的性能有顯著差異，不同碳纖維含量有顯著差異(資料參考eSUN官網)

挑戰2：列印難度高，良品率低

使用尼龍或PC等工程塑膠作為基材時，由於參數設定、列印設備等常常會出現噴頭堵頭嚴重、噴嘴擴孔、零件翹邊、Z軸層間結合力差等情況，導致使用者對高性能複合材料的列印望而卻步。

挑戰3：列印速度緩慢

在高速列印過程中，無論使用何種材料，一個主要的挑戰是“冷芯”現象。列印機噴嘴的熱量首先熔化線材的外部，使得外層材料總是先於線材內部熔化。這種現象導致線材內芯受熱溫度較低，無法像外層那樣均勻、快速地熔化，造成擠出耗材的熱分佈不均，最終導致列印件層間結合力差和表面粗糙。另外纖維增強複合材料在熔化後變得非常粘稠，難以從噴嘴中擠出，同時纖維材料的添加加劇了冷芯的現象，使得只能以較慢速度進行列印。
 

冷芯現象

Raise3D Pro3 HS高性能複合材料解決方案

Hyper FFF® 技術

Raise3D Pro3 HS 系列搭載 Raise3D Hyper FFF® 技術，穩固的剛性結構設計配備高流量擠出機和主動震動補償演算法，列印速度最高可達500 mm/s，平均列印速度能夠處於 200-300 mm/s 區間，為長期高速列印碳纖維材料提供扎實的基礎。
Pro3 HS全新優化的高流量擠出機，其擠出流量是E2CF設備（4mm3/s）的6倍（24mm3/s）。主動消振演算法搭配ideaMaker®切片軟體，讓高速列印時穩定出料，同時擁有極佳的表面品質和尺寸精度。

 Raise3D Hyper FFF3D列印技術

Raise3D Hyper Core系列材料

Hyper Core系列線材採用了與連續纖維相同的“包芯”技術，可以將最多35 wt%碳纖或玻纖集中，形成線材的“內芯”，再以獨家研發的高流動性尼龍及ABS等材料進行“包覆”，使其可以保持高熱穩定性，在碳纖維或玻璃纖維的內核與外緣基材之間形成梯度介面，在纖維外圍形成一層“薄膜”，進而改善材料的延展性和強度。

 
這種雙重特性確保耗材能夠快速達到柔韌狀態，便於擠出，而不會在高速列印的高溫下降解。嵌入的碳纖維或玻璃纖維材料也經過特殊處理，以增強與基體聚合物的層間結合力，從而提高擠出材料的整體結構完整性。

高性能碳化矽噴嘴

無論是Hyper Core材料還是 Industrial 系列高性能線材噴嘴都需要更高的耐溫及硬度，以滿足高性能材料的列印。Raise3D 採用的高性能碳化矽 SiC 噴嘴，SiC作為一種特種陶瓷材料，其硬度遠高於黃銅和硬化鋼，也高於紅寶石；同時相比其他材料具有良好的自潤滑性能、耐高溫和化學穩定性，保證了其長期穩定使用。

各材料的噴頭硬度

Raise3D SiC碳化矽噴頭

Air Flow Manager 空氣循環系統
 

Air Flow Manager 空氣循環系統能有效控制列印艙體內的熱量，對列印艙體進行散熱平衡，確保列印件在列印過程中的溫度均衡。經過實測實，透過該循環系統能將列印艙溫度維持在45 - 48℃，減少高性能材料列印過程中，因溫度變化導致翹邊失敗。
 

Raise3D Pro3 HS空氣循環系統

Hyper Core系列材料的性能比較

Hyper Core系列線材提供多種材料，每種材料都是為特定應用和性能要求而量身定制。例如Hyper Core PPA CF25和Hyper Core PPA GF25，其中CF表示碳纖維，GF表示玻璃纖維。數值表示這些纖維在材料中的百分比組成。

Raise3D Hyper Core複合線材

目前Hyper Core系列共有PPA CF25、PPA GF25、ABS_CF15三種。
Hyper Core PPA CF25的碳纖維含量為25 wt%。採用高性能聚醯胺（PA）為基材的這種材料專為高強度和高剛性的應用場景設計，如高剛性的夾具和固定裝置、輕質鋁件或尼龍零件的替代。高比例的碳纖維填充增強了其拉伸強度，同時提高其耐溫性能，另其可以適用於如低溫射出熱成型模具的應用等。

Hyper Core PPA GF25的玻璃纖維含量為25 wt%，具有Hyper Core PPA CF25基材的共有的優點，但針對不同的應用進行了優化。玻璃纖維增強了抗衝擊性，使這種耗材成為必須承受重複應力或衝擊物品的理想材料。其特性還包括高耐磨性和較低的翹曲傾向，確保列印後的尺寸穩定性。是汽車內外飾、軸承、密封、連接器、控制器、沖壓頭等的理想材料。

Hyper Core ABS CF15的重量中包含15 wt%的碳纖維，專為需要ABS的高耐用性和光澤，同時需要碳纖維增強強度和剛度而定制。這種材料非常適合汽車和航空航太應用中對於需要輕量化但又需要高強度的零件而生。

彈性模量[GPa]

 拉伸強度[MPa]

 熱變形溫度(C)

衝擊強度(kJ/m2)

Hyper Core樣本均按照ISO 527-2 進行列印，列印速度300 mm/s

Raise3D Pro3 HS系列-尺寸精度與高速列印兼得

 
隨著複合材料的應用逐漸普及，自動化生產線上使用3D列印設備的情況越來越普遍，也將大大提升生產效率，帶來了明顯的效果。

Raise3D Pro3 HS 系列導入了與Raise3D Pro3 系列相同金屬結構框架，確保高尺寸精度與表面品質。以此基礎下採用了Raise3D Hyper FFF® 技術，可以高速列印出精確可靠的物件。

傳動系統中，增加了閉環步進電機，電控制精度提高400%，同時強化了擠出機的運動機度控制，獲得更精準的列印結果。Raise3D快速批量3D列印生產複合材料將是產線上最可靠的生力軍。