制造高性能碳纤维部件的分步指南

碳纤维增强塑料等复合材料是用途广泛且高效的材料，推动着从航空航天到医疗保健等各个市场的创新。它们的性能优于钢、铝、木材或塑料等传统材料，可以制造高性能轻质产品。

在本指南中，您将了解制造碳纤维零件的基础知识，包括不同的碳纤维铺层、层压和成型方法，以及如何使用 3D 打印来制造碳纤维模具以降低成本并节省时间。直接 3D 打印的复合材料也存在，例如 Formlabs Nylon 11 CF Powder，这是一种碳纤维填充材料，非常适合需要卓越刚度和强度的应用。当在 Formlabs Fuse 1+ 30W 打印机上打印时，Nylon 11 CF Powder 可生产出轻质、刚性的零件，这些零件保持结构和热稳定性，并能承受反复冲击。

尼龙11 CF粉末样品部分

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复合材料是两种或多种成分的组合，其特性不同于这些单独成分本身的特性。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（纤维或颗粒）制成，并通过基体（聚合物、金属或陶瓷）结合在一起。 

纤维增强聚合物 (FRP) 在市场上占据主导地位，并推动了各行业新应用的增长。其中，碳纤维是一种广泛使用的复合材料，特别是用于飞机、赛车和自行车，因为它的强度和刚度是铝的三倍多，但重量轻 40%。它由增强碳纤维与环氧树脂连接而成。

纤维可以定向单向编织并策略性排列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上产生强度，它们还负责复合材料部件的标志性绗缝外观。将两者结合起来生产零件是很常见的。有多种类型的光纤可供选择，包括：

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，但以下是最流行的：

制造纤维增强聚合物（例如碳纤维零件）是一种技术性且劳动密集型的工艺，可用于一次性和批量生产。周期时间从 1 小时到 150 小时不等，具体取决于零件的尺寸和复杂性。通常在 FRP 制造中，连续的直纤维在基体中连接形成单独的层，然后逐层层压到最终部件上。 

复合材料性能由材料和层压过程引起：纤维的结合方式强烈影响零件的性能。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。可用的层压技术有多种，可分为三种主要类型：

在湿法铺设中，纤维被切割并铺设到模具中，然后通过刷子、滚筒或喷枪施加树脂。这种方法需要最多的技能来制造高质量的零件，但它也是开始制作 DIY 碳纤维零件最便宜、要求最低的工作流程。如果您是碳纤维零件制造的新手并且尚未配备，我们建议您从湿法手工层压开始。

观看视频，了解湿法碳纤维叠层工艺的工作原理。

通过预浸料层压，树脂被注入到前面的纤维中。预浸渍片材冷藏保存以抑制固化。然后在高压釜中在热量和压力下将层固化到模具中。这是一个更精确且可重复的过程，因为树脂的数量是受控的，但它也是高性能应用中通常使用的最昂贵的技术。

通过 RTM 成型，将干纤维插入由两部分组成的模具中。在高压下将树脂压入型腔之前，将模具夹紧。它通常是自动化的，用于大批量生产。

由于模具的质量直接影响最终零件的质量，因此模具制造是 FRP 制造的一个关键方面。大多数模具都是用蜡、泡沫、木材、塑料或金属通过数控加工或手工制作而成。虽然手动技术是高度劳动密集型的，但数控加工仍然遵循复杂、耗时的工作流程（尤其是对于复杂的几何形状），并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模具和模型以制造碳纤维零件的解决方案。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经济高效的方法，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 打印零件来制造夹具和固定装置，以支持纤维缠绕或自动纤维铺放等方法。同样，小批量印刷模具和模具用于注塑、热成型或金属板材成型，以提供小批量生产。 

内部桌面 3D 打印需要有限的设备并降低工作流程的复杂性。 Form 4 等专业桌面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 4L 等大幅面 3D 打印机也可以制造大型工具和模具。

立体光刻 (SLA) 3D 打印技术可创建表面非常光滑的零件，这对于碳纤维叠层模具至关重要。它允许高精度的复杂几何形状。此外，Formlabs 树脂库还拥有具有机械和热性能的工程材料，可与模具和模型制造完美搭配。

用于制造碳纤维零件的 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数控设备； CAM 软件、机床设置、工件夹具、刀具和排屑。模具制造的劳动力和交货时间大大减少，从而实现快速设计迭代和零件定制。它们可以实现具有精细细节的复杂模具形状，而这是传统方法难以制造的。 

模具架构和设计指南

设计模具时，请考虑什么可以成功打印，以及什么可以成功成型。不同的模具架构用于创建不同类型的几何形状：

• 真空袋中的一体式模具： 用于需要 A 级一面（即光面饰面）的零件。它可以是正数，也可以是负数，具体取决于哪一侧应为 A 级。一侧是模具表面，另一侧是真空袋表面。
• 压缩成型中的两部分模具： 用于零件两面均需为A级的零件。两面均为模具表面。
• 压力成型中的膀胱模具： 用于由于零件无法脱模而无法使用真空袋或压缩模具的复杂几何形状。一侧为模具表面，另一侧为胶囊表面。
• 用于创建阴模的模具图案： 当需要使用多个模具来提高产量时使用。一个模型可以制作多个模具。

添加拔模角度： 两到三度的正拔模角将有利于脱模步骤并延长模具的寿命，特别是对于刚性模具。然而，使用 Tough 1500 Resin 等柔韧 3D 打印材料可以让您在没有草图的情况下创建零件，并包括无法从刚性模具脱模的具有挑战性的几何形状。设置适合您的材料厚度的最小半径：这有助于纤维在拐角处对齐，同时避免空气夹杂，并创建可重复的优质零件。避免陡峭和近距离的拐角，因为流动的几何形状比四四方方、前卫的几何形状更容易使用。

设置适合您的材料厚度的最小半径：  这有助于纤维在拐角处对齐，同时避免空气夹杂，并制造出可重复的优质零件。避免陡峭和近距离的拐角，因为流动的几何形状比四四方方、前卫的几何形状更容易使用。

包括定位销和凹口 适用于需要精确对准的模具。 3D 打印的一大优势是它允许复杂的对齐几何形状，并有助于制造对定位敏感的设计。

包括表面溢出： 延伸表面的多余材料将被切除，以绘制精确的修剪线。 3D打印允许您在超限中进行打印，而无需制造闪光。

添加修剪线： 3D 打印允许您整合精确的修饰功能，例如钻孔导轨、用于手动修剪的划线或刳刨导轨。

其他最佳实践：

• 以尽可能最小的层高进行打印，以优化分辨率和脱模步骤。
• 避免在成型面上提供支撑，以获得更好的表面光洁度。
• 使用脱模剂：这是脱模过程所必需的。
• 为了避免空气夹杂：搅拌混合后，等待两分钟，让空气从树脂中沉淀出来。涂刷第一层树脂后重复一遍。如果仍有小气泡，可以在后处理中抛光并密封。

学生方程式赛车是一年一度的工程设计竞赛，来自世界各地的学生团队将建造方程式赛车并参加比赛。柏林工业大学方程式学生队 (FaSTTUBe) 是最大的团体之一；自 2005 年以来，每年都有 80 至 90 名学生开发新赛车。

柏林工业大学 (FasSTTUBe) 的学生方程式团队正在为年度学生方程式比赛制造三辆汽车。

FasSTTUBe 团队拥有几乎全部制造技术，将 3D 打印用于三个目的：

1. 原型： 他们打印各种零件的原型，例如防倾杆的安装件或高压电池的利益相关者。
2. 3D 打印碳纤维模具： 该团队打印了十几个模具来制造其他方式无法制造的碳纤维零件。 
3. 最终用途部件： 最终车辆上的约 30 个零件是直接 3D 打印的：从按钮支架、方向盘换档杆到冷却系统的软管和传感器连接器。

在本案例研究中，我们正在研究他们用于制造碳纤维方向盘外壳和握把的成型应用的细节。

减轻重量对于赛车的制造至关重要。为了减轻部件重量，他们可以打印空心方向盘握把，但它的强度不足以承受驾驶员的抓握。碳纤维是一种很好的材料，可以减轻重量，同时保持或增加强度。为了能够在今年用碳纤维制造该部件，空气动力学和碳制造主管 Felix Hilken 开发了一种使用 3D 打印模具进行湿法层压的工作流程。

所需设备：

• 采用 Tough 1500 树脂的 Formlabs SLA 3D 打印机
• 碳纤维：三层 200g、3K、0.3mm、斜纹编织图案
• 脱模剂：蜡和聚乙烯醇
• 高强度环氧树脂
• 刷子和剪刀
• 真空袋、真空泵和透气布
• 砂纸

手柄被制成两半，以便能够使零件脱模。对于握把的每一半，Felix 设计了一个由两部分组成的模具，其中包括如果不使用 3D 打印就难以制造的功能，特别是：

• 精细特征，例如紧密内半径、扫掠表面或变化半径表面
• 无法从铝模具中脱模的圆形紧边
• 钻孔位置的缩进，因为该零件对定位很敏感

该团队使用 Tough 1500 Resin 在 Form Series 打印机上以 50 微米层高打印模具。 将打印件在 IPA 中清洗两次，每次 10 分钟，然后在 70 °C 下后固化 60 分钟。选择 Tough 1500 Resin 是因为它可以平衡伸长率和模量：用这种材料打印的部件可以显着弯曲并快速弹回原来的形状。这是所需的机械性能，以避免脱模时模具破裂。

使用脱模剂以促进脱模过程。这是关键的第一步：如果某些表面未被覆盖，零件将不会与模具分离。

1. 用蜡覆盖（可选，但建议）
2. 用聚乙烯醇 (PVA) 覆盖

将树脂与硬化剂混合。必须精确遵循混合比例。如果偏离目标比例哪怕只有百分之几，零件就会太软或仅部分固化。使用前请严格遵循树脂制造商的说明并阅读安全表。使用 Felix 树脂时，聚合过程在树脂混合后两小时开始，这为铺叠操作留下了两小时。

用刷子在模具的正面涂上树脂。

在模具的正侧铺上碳纤维层。确保遵循所有轮廓。该团队使用 3K 纤维来平衡编织厚度和价格。它是专门为遵循复杂的轮廓而设计的，并且内部没有支撑绳。

在碳层上涂抹树脂并重复铺层过程。树脂将各层粘合在一起，形成零件中的基体成分，并防止纤维重新排列。 Felix 使用了三层碳纤维。

在模具的阴模上涂上最后一层树脂，然后将模具的两半压在一起，以避免形成气泡并渗透到纤维中。

用剪刀剪掉多余的材料。 

真空袋中固化48小时。在聚合过程中，真空袋会抽出空气，并在环境温度下将层压在模具上，以除去多余的树脂。它确保所需的树脂与纤维体积比，以匹配正确的零件刚度。

精加工：打磨所有边缘。为了在加工后清洁模具，Felix 将其浸入水中约 30 分钟以溶解 PVA，然后使用 1500 目细砂纸去除残留的树脂。 

通过使用碳纤维，该团队将方向盘外壳的重量从 120 克减少到 21 克，并且能够将设计推向传统上极难制造的几何形状。 “3D 打印的伟大之处在于，复杂的形状与简单的形状一样容易制造，需要相同的工作量和设备，”Felix 说。

如果没有 3D 打印，该团队将不得不外包铝制模具的 CNC 铣削加工，这种加工成本昂贵，交货时间长，并且需要专用工具。 “我要对模具进行 CNC 加工，需要专门的工具，然后等待在机器上开一个槽。但我什至无法完成这种几何形状。特别是一些小角。我需要使用其中没有任何螺钉的设计，因此该零件对定位不敏感。”

据他估计，一个用 Formlabs Tough 1500 Resin 打印的模具可用于制造大约 10 个零件。由于这是一个手动过程，因此取决于操作员的细致程度：模具可能会在分离过程中破裂。然而，可以使用多个 3D 打印模具来提高产量。延长模具使用寿命的另一种解决方案是用金属通用模具来支撑它。 3D 打印嵌件承载几何形状，而备用金属模具则有助于保持其形状。这可以用简单的手动铣床来制造。

DeltaWing Manufacturing 为 Panoz 公司生产复合材料零件，该公司是一家美国制造的豪华跑车的设计者和制造商。  为了制造碳纤维部件，DeltaWing Manufacturing 需要加工一个模型，在其上铺层或铸造模具，并在应用预浸料工艺层压碳纤维部件之前完成模具。

在过去几年中，他们开始使用内部 3D 打印零件作为此过程的中间步骤。帕诺兹需要为一辆定制赛车配备六套碳纤维挡泥板空气管道。为了减少传统模具制造技术的劳动力和交货时间，DeltaWing Manufacturing 的工程师选择直接 3D 打印模具并在预浸料工艺中实施。

所需设备：

• 采用高温树脂的 Formlabs SLA 3D 打印机
• 碳纤维：4K、二维图案
• 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

该管道在两个不同的模具上制成两个不同的部件，以便于最终部件与模具分离，然后进行粘合。每个模具也被分成两部分打印并组装在一起，以便它可以适合 Form 系列打印机的构建体积 - 然而，对于 Form 4L 打印机的更大构建体积来说，这不是必需的。这些零件专为增材制造而设计，遵循模具设计建议。

DeltaWing 在 Form 系列打印机上以 100 微米层高用高温树脂打印了模具。选择该树脂是因为它的热变形温度 (HDT) 为 238 °C @ 0.45 MPa，是 Formlabs 树脂中最高的，也是市场上最高的树脂之一。

高温树脂可以承受高固化温度，在操作过程中表现出良好的刚度以保持形状，并且将转化为最终部件的大量细节。 Formlabs 建议使用 IPA 清洗高温树脂打印件 10 分钟，在 80 °C 下后固化 120 分钟，然后在 160 °C 下加热部件 3 小时，以获得更高的 HDT。

DeltaWing Manufacturing 在印刷模具上应用了他们常用的预浸料工艺，使用预浸料 4K 二维图案纤维。每个模具都用 Kapton 胶带覆盖，以便在每次成型迭代时更新表面。将纤维铺在模具上，然后将部件放入真空袋中，在高压釜中固化，然后脱模和修整。打印的模具可以在 38 °C (100 °F) 下缓慢固化 10 小时，或者在 126 °C (260 °F) 下快速​​固化 1 小时而不会损坏。碳管的两半在最后一步中粘合。

该团队对一个模具进行了六次迭代测试，没有观察到任何明显的退化。我们估计一个模具可以进行大约 10-15 次迭代。由于预浸料固化过程中使用高压釜施加热量和压力，因此打印的模具只能承受几次迭代。因此，不建议将此方法用于大批量生产，但它是生产小批量和大规模定制零件的好方法。这使得应用范围广泛，例如高性能运动器材、航空航天定制工具或医疗保健患者独有的个性化假肢。 

人们对将传统碳纤维零件的强度、耐用性和坚固性与 3D 打印的敏捷性、几何可能性和可重复性相结合的工作流程有着强烈的需求。因此，有许多 3D 打印公司提供碳纤维 3D 打印也就不足为奇了，目前可用的两种工艺是短切纤维或连续纤维打印。

用于 Fuse 1+ 30W 选择性激光烧结 (SLS) 工业 3D 打印机的尼龙 11 CF 粉末使用短切碳纤维，使制造商能够制造坚固、轻质且耐热的零件，而无需依赖传统的覆盖或加工方法。 

Formlabs 尼龙 11 CF 粉末坚固、轻质且耐热，非常适合汽车、航空航天和制造应用。

纤维增强聚合物制造是一个令人兴奋但复杂且劳动密集型的过程。使用 3D 打印模具和图案来制造碳纤维零件，企业可以降低工作流程的复杂性，扩大灵活性和设计机会，并降低成本和交货时间。 

对于具有碳纤维许多优点、几何灵活性和更简单、更高效的工艺的额外优势的直接 3D 打印零件，可以使用 Formlabs Nylon 11 CF Powder 等材料，用于 Fuse 系列 SLS 3D 打印机。 

要讨论您的应用并找出使用 3D 打印碳纤维零件的最佳方法，请联系我们的团队。