高性能碳纤维零件制造分步指南：从铺层到 3D 打印模具

复合材料如碳纤维增强塑料，是高度通用高效的材料，推动航空航天到医疗等各市场创新。其性能超越钢、铝、木、塑料等传统材料，实现高性能轻量化产品制造。

本指南学习碳纤维零件制造基础，含不同碳纤维铺层、层压、成型方法，以及如何用 3D 打印制作碳纤维模具以降本增效。直接 3D 打印复合材料也存在，如 Formlabs Nylon 11 CF 粉末，碳纤维填充材料，完美适配需卓越刚度和强度的应用。在 Formlabs Fuse 1+ 30W 打印机上打印，Nylon 11 CF 粉末产出轻量、刚性零件，结构热稳定、可承受重复冲击。

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复合材料是两种或以上成分组合，其特性不同于单独成分。工程性能典型改善，如增加强度、效率、耐用性。复合材料由增强材（纤维或颗粒）经基体（聚合物、金属、陶瓷）结合而成。

纤维增强聚合物 (FRP) 主导市场，推动各行业新应用增长。其中碳纤维在飞机、赛车、自行车特别广泛，因其强度和刚度超铝 3 倍以上，却轻 40%。由增强碳纤维与环氧树脂结合形成。

纤维可单向织物并战略对齐，创建相对矢量的强度。交织纤维可创建多矢量强度，也造就复合零件标志性绗缝外观。常结合两者使用。多种纤维可用，包括：

树脂用于结合纤维创建刚性复合材料。虽数百种树脂可用，最流行者包括：

制造纤维增强聚合物如碳纤维零件是技能和劳动密集型过程，用于单件和批量生产。周期时间视尺寸复杂度从 1 小时到 150 小时不等。典型 FRP 制造中，连续直纤维在基体中结合形成单个铺层，层层层压到最终零件上。

复合性能由材料和层压工艺共同诱导：纤维结合方式强烈影响零件性能。热固性树脂与增强材在工具或模具中成形并固化形成坚固产品。有多种层压技术，可分三大类：

手工湿法铺层中，纤维裁剪铺入模具，再用刷子、滚筒或喷枪涂树脂。此法对技能要求最高以制造高质量零件，但也是起步成本最低、门槛最低的 DIY 碳纤维零件工作流。若您是碳纤维零件制造新手且未装备，建议从手工湿法铺层开始。

观看视频了解湿法碳纤维铺层工艺。

预浸料层压中，树脂预先浸渍纤维。预浸料片材冷藏抑制固化。铺层后在高压釜中热压固化。因树脂量受控，此法更精准可重复，但也是最贵技术，通常用于高性能应用。

树脂传递模塑 (RTM) 中，干纤维放入二件式模具。合模后高压注入树脂至型腔。通常自动化、用于大批量制造。

因模具质量直接影响最终零件质量，制模是 FRP 制造关键环节。多数模具由蜡、泡沫、木、塑料、金属经 CNC 加工或手工制作。手工技术极度劳动密集，CNC 加工仍遵循复杂耗时工作流 —— 尤其复杂几何体 —— 外包典型成本高、交期长。两者都需熟练工，对设计迭代和模具调整灵活性极低。

增材制造为快速低成本生产碳纤维零件模具和型模提供方案。聚合物工装在制造流程中应用持续增长。用内部打印塑料件替代金属工具，是缩短生产时间、扩展设计灵活性的强大且具成本效益的手段。工程师已用聚合物树脂 3D 打印件制作制造治具夹具支持绕丝成型或自动化纤维铺放等方法。同样，短流程打印模具和模具用于注塑、热成型或板材成型交付小批量产品。

桌面级内部 3D 打印需设备有限、降低工作流复杂度。专业桌面树脂打印机如 Form 4 价格可接受、易实施、可随需求快速扩展。大尺寸工具和模具制造也可用大幅面 3D 打印机如 Form 4L。

立体光刻 (SLA) 3D 打印技术创建极光滑表面质感，这对碳纤维铺层模具至关重要。允许高精度复杂几何。此外，Formlabs 树脂库有力学热性能与模具型模制造匹配的工程材料。

3D 打印模具制造碳纤维零件可降本增效。

模具架构与设计指南

设计模具时，考虑什么能打印成功，以及什么能成型成功。不同模具架构用于创建不同几何类型：

• 真空袋单件模具： 用于需单面 Class A 面（光面）的零件。可为正模或负模，视哪面应为 Class A。一面为模具面，另一面为真空袋面。
• 压缩成型双件模具： 用于零件两面都需 Class A 面。两面均为模具面。
• 气囊模具压力成型： 用于真空袋或压缩模具无法采用的复杂几何，因零件无法脱模。一面为模具面，另一面为气囊面。
• 制作负模的模具型模： 用于需多套模具提产。单个型模可制多套模具。

添加脱模斜度： 2-3 度正脱模斜度利于脱模步骤、延长模具寿命，尤其刚性模具。但用柔性 3D 打印材料如 Tough 1500 树脂，可允许无斜度制造零件，包含刚性模具无法脱模的挑战性几何。设置适合材料厚度的最小圆角：助纤维拐角对齐避免夹气、创建可重复质量零件。避免陡峭和紧邻拐角，流线几何比方正棱角易加工。

设置适合材料厚度的最小圆角： 助纤维拐角对齐避免夹气、创建可重复质量零件。避免陡峭和紧邻拐角，流线几何比方正棱角易加工。

包含定位销和凹槽 供需精准对齐的模具。3D 打印优势之一是允许对齐几何复杂性，帮助制造对定位敏感的设计。

包含表面溢料： 延伸面多余材料将切除以划出精确修边线。3D 打印允许打印溢料无需制造飞边。

添加修边线： 3D 打印允许整合精确修整特征，如钻孔导向、手工修边划线、路由器导轨。

其他最佳实践：

• 尽可能小层高打印以优化分辨率和脱模步骤。
• 成型面避免支撑以获更好表面质感。
• 使用脱模剂：脱模过程必需。
• 避免夹气：搅拌混合后静置两分钟让气泡析出。刷第一层树脂后重复。若残留微小气泡，后处理可抛光密封。

方程式学生赛是全球学生团队制造赛车竞赛的年度工程设计竞赛。柏林工大方程式学生车队 (FaSTTUBe) 是最大团队之一；80-90 名学生自 2005 年起每年开发新赛车。

柏林工大方程式学生车队 (FaSTTUBe) 为年度方程式学生赛制造三辆赛车。

拥有近乎全套制造技术，FaSTTUBe 团队用 3D 打印做三件事：

1. 原型： 为各种零件打印原型，如防倾杆安装座、高压电池利益相关者。
2. 3D 打印碳纤维模具： 团队打印十余套模具制造否则无法制造的碳纤维零件。
3. 终端用途零件： 最终赛车约 30 个零件直接 3D 打印：从按钮座、方向盘换挡拨片、到冷却系统软管和传感器连接器。

本案例研究深入其制造方向盘外壳和握把碳纤维零件的模具应用细节。

减重在赛车制造中至关重要。为减轻零件，本可打印中空方向盘握把，但不足以承受驾驶员抓握力。碳纤维是降重同时保持或增加强度的优秀材料。为能用碳纤维制造此零件，空气动力学与碳制造负责人 Felix Hilken 开发了用 3D 打印模具湿法铺层的工作流。

所需设备：

• Formlabs SLA 3D 打印机配 Tough 1500 树脂
• 碳纤维：三层 200g、3K、0.3mm、斜纹织物
• 脱模剂：蜡和聚乙烯醇
• 高强度环氧树脂
• 刷子和剪刀
• 真空袋、真空泵、透气布
• 砂纸

为能脱模，握把分两半制造。每半握把 Felix 设计了双件模具，含无 3D 打印难制造的特征，特别是：

• 精细特征如紧内圆角、扫掠面、变化圆角面
• 铝模无法脱模的圆紧边缘
• 钻孔定位凹槽，因零件对定位敏感

团队用 Form 系列打印机以 Tough 1500 树脂、50 微米层高打印模具。打印件经两次 10 分钟 IPA 清洗、70°C 下 60 分钟后固化。选 Tough 1500 树脂因其平衡伸长率和模量：此材料打印件可显著弯曲并快速回弹原形。这是脱模避免模具破损所需的力学性能。

涂脱模剂促进脱模。关键第一步：若部分表面未覆盖，零件不会与模具分离。

1. 覆蜡（可选但推荐）
2. 覆聚乙烯醇 (PVA)

按比例混合树脂与固化剂。混合比例必须精准遵循。偏离目标比例甚至几个百分点，零件会太软或仅部分固化。严格遵循树脂厂商说明并阅读安全表。Felix 用的树脂混合后 2 小时开始聚合，留 2 小时做铺层操作。

在模具正面刷树脂。

在模具正面铺设碳纤维铺层。确保遵循所有轮廓。团队用 3K 纤维平衡织物厚度和价格。专为跟随复杂轮廓设计，无支撑纱。

在碳纤维层刷树脂并重复铺层过程。树脂结合层、形成零件基体成分、防止纤维重新对齐。Felix 用三层碳纤维铺层。

在模具负面刷最后一层树脂，合合两半模具避免气泡形成渗透纤维。

剪刀剪除多余材料。

真空袋固化 48 小时。聚合过程中，真空袋抽气并将铺层压向模具，常温下去除多余树脂。确保目标体积树脂纤维比，匹配正确零件刚度。

精加工：打磨所有边缘。为清洁模具，Felix 浸水约 30 分钟溶解 PVA，再用细 1500 目砂纸去除残留树脂。

用碳纤维，团队将方向盘外壳重量从 120g 降至 21g，并将设计推向传统制造极难实现的几何体。“3D 打印的妙处在于复杂形状制造难度同简单形状，需同等工作和设备。”Felix 说。

无 3D 打印，团队须外包铝模 CNC 加工，贵、交期长、需专用工具。“我会 CNC 加工模具，需专用工具、等机床档期。但甚至无法做这几何体。特别是小拐角。我需用无螺丝设计，零件就不敏感定位。”

Felix 估算一套 Formlabs Tough 1500 树脂打印模具可制约 10 个零件。因是手工过程，取决于操作者细致度：脱模过程模具可能断。但可用多套 3D 打印模具增产。延长模具寿命另一解法是用通用金属模具支撑。3D 打印嵌件承载几何，备用金属模具帮助保形。可用简单手动铣床制造。

DeltaWing Manufacturing 为 Panoz 制造复合零件，Panoz 设计制造独家美制豪华跑车。制造碳纤维组件时，DeltaWing 过去加工型模、在其上铺层或浇铸模具、精加工模具，再用预浸料工艺层压碳纤维零件。

近年他们开始用内部 3D 打印件作为该流程中间步骤。Panoz 需 6 套定制赛车碳纤维翼子板风道。为从传统制模技术减少工时和交期，DeltaWing 工程师选择直接 3D 打印模具并用于其预浸料工艺。

所需设备：

• Formlabs SLA 3D 打印机配 High Temp 树脂
• 碳纤维：4K、双向织物
• 脱模剂：聚乙烯醇
• Kapton（聚酰亚胺）胶带
• 高强度环氧树脂
• 刷子和剪刀
• 真空袋、真空泵

风道分两个不同部件在两个不同模具制造，便于最终零件脱模，后粘接。每个模具也分两件打印组装以适配 Form 系列构建体积 —— 但 Form 4L 更大构建体积下这不再必要。零件按增材制造设计，遵循模具设计建议。

DeltaWing 用 Form 系列打印机以 High Temp 树脂、100 微米层高打印模具。选此树脂因其热变形温度 (HDT) 238°C @ 0.45 MPa，为 Formlabs 树脂最高、市面树脂最高之一。

High Temp 树脂耐高温固化、显示良好刚性保形、极佳细节水平将转化至最终零件。Formlabs 建议 High Temp 树脂打印件 IPA 清洗 10 分钟、80°C 下 120 分钟后固化、再 160°C 加热 3 小时以获更高 HDT。

DeltaWing 在打印模具上应用其常规预浸料工艺，用预浸料 4K 双向织物纤维。每模具覆 Kapton 胶带以每次成型迭代更新表面。纤维铺设模具，零件入真空袋高压釜固化后脱模修边。打印模具耐受 38°C (100°F) 慢固化 10 小时，或 126°C (260°F) 快固化 1 小时无损伤。两半碳纤维风道最终粘接步骤结合。

团队测试单模具 6 次迭代未观察到显著退化。估算单模具可做 10-15 次迭代。因预浸料工艺用高压釜施加热压固化，打印模具仅能承受几次迭代。因此此法不推荐大批量生产，但非常适合短流程批量和大规模定制零件。这赋能高性能运动装备、航空航天定制工装、独特患者个性化假肢等广泛应用。

将传统碳纤维零件的强度、耐用、坚固与 3D 打印的敏捷、几何可能性、可重复性结合的工作流需求强劲。难怪许多 3D 打印公司提供碳纤维 3D 打印，目前两种可用工艺为切碎纤维打印和连续纤维打印。

用切碎碳纤维，供 Fuse 1+ 30W 选择性激光烧结 (SLS) 工业 3D 打印机的 Nylon 11 CF 粉末，让制造商无需传统覆层或机加工，即可创建强韧、轻量、耐热零件。

Formlabs Nylon 11 CF 粉末强韧、轻量、耐热，适合汽车、航空航天、制造应用。

纤维增强聚合物制造是激动人心却复杂劳动密集的过程。用 3D 打印模具和型模制造碳纤维零件，让企业降低工作流复杂度、扩展灵活性和设计机会、降本增效。

对于直接提供碳纤维诸多优势、额外拥有几何灵活性和更简洁高效流程的直接 3D 打印件，有材料如供 Fuse 系列 SLS 3D 打印机的 Formlabs Nylon 11 CF 粉末。

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