破坏性创新：连续纤维3D打印技术曝光，革新复合材料设计和制造模式

南极熊导读：这个3D打印技术创新（文末可下载PDF专利文件）极具破坏性，它将改变很多行业，例如航空航天、汽车、建筑、体育用品等复合材料设计和制造模式。

△3D打印的连续纤维结构

2020年7月29日，南极熊获悉，阿科玛Arkema S.A. （法国哥伦布）投资了Continuous Composites公司，连续纤维复合材料3D打印技术（ Continuous Fiber 3D Printing technology ，CF3D的发明者）。这是家美国初创公司，专注于坚固、轻巧结构的开创性复合材料3D打印制造技术。

△强大的连续纤维铺设3D打印机

Continuous Composites是一家领先的技术公司，已使用专利的CF3D技术，以及包括软件、硬件、材料和运动平台在内的完整解决方案，正在颠覆高性能热固性树脂的复合材料设计和制造能力。

凭借在设计光固化液体树脂的积累，阿科玛沙多玛业务线，有一个称为N3xtDimension 的产品，使用连续纤维技术，为3D打印制造工艺开发新的解决方案。N3xtDimension 是阿科玛平台的3D打印解决方案的一部分，提供全球所有主要的3D制造技术的解决方案的系列产品。

△可自由运动的机器人

△非常复杂强大的3D打印头

2019年9月，两家公司已经签署了一项联合开发协议（JDA），专注于共同开发推进CF3D工艺的N3xtDimension光固化树脂。它使得生产具有高机械性能的定制化大型复合材料部件成为可能，应用于航空、汽车、能源等领域。目前的开发研制项目包括与洛克希德-马丁公司（美国）、空军研究实验室（美国）和西门子的合作。

核心技术原理

CF3D的3D打印头，可打印单束和多束配置的连续纤维。打印头在原地浸渍纤维，挤出后立即固化 纤维+树脂的混合材料。CF3D的运动平台不是固定的，在机器人和龙门架上都有可扩展的硬件解决方案。

前所未有的材料组合

高性能、轻质的复合材料将3D打印制造的性能和功能提升到一个新的水平。通过CF3D技术，材料可根据特定应用进行定制和灵活处理。这项技术正在开创新的局面，能够在单步工艺中同时3D打印结构纤维（如碳、玻璃、芳纶）和功能纤维（如光学、金属）。用户可以直接在结构中打印传感功能、电路和嵌入式器件。CF3D为制造业提供创新性的材料解决方案。

△3D打印的滑板车

没有任何限制

CF3D是一个自动化的过程，通过在负载条件的方向上进行离散打印，利用了连续纤维的真正各向异性特性。连续复合材料技术不需要模具、烘箱和高压灭菌过程，直接实现终端生产。CF3D可以将多个组件合并成一个打印零件，并嵌入功能，所有这些都可以在一个制造过程中完成。CF3D的优势使成品复合材料部件的成本成倍降低，并且无论零件多大多小，都会支持。

Continuous Composites的CEO Tyler Alvarado表示，他们的技术不局限于通过2D切片打印，因此可以充分利用复合材料的各向异性特性，在每个方向上铺设定向纤维；还可以针对每个客户的应用调整热固性树脂，例如，提升模量、或者是韧性、甚至是防火性能。CF3D还可以使用热塑性树脂进行打印，甚至在同一结构中使用热固性和热塑性材料进行打印。

让南极熊惊讶的是，CF3D可以打印碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维，甚至金属线（铜线和镍铬合金线）和光纤，都可以嵌入3D打印的复合结构中。这使得由复合材料制成的对象可以实时感测和收集数据，变成电子设备实现监视功能。

软件控制系统

南极熊了解到，CF3D技术制造由Autodesk的AI驱动设计软件开发复杂设计，并且可以充分利用连续纤维材料的各向异性特性来优化载荷路径。Comau机器人出色的轨迹控制和高重复性，以及CF3D中使用的热固性树脂的即时固化功能，使系统能够通过自由空间、管子、多层碳纤维面板和自由空间快速打印无需支撑的大型复杂结构与连续纤维材料桥接。

纤维含量

△连续纤维

据南极熊了解，他们在2018年就已经实现50-60%的纤维体积，打印层压板的可变压实（variable compaction）已整合到打印头。当在自由空间中打印结构时，并不是针对工具进行压缩，因此合并是不同的。结构的第一层是无支撑的，因此，需要的压力很小，因为没有什么可压制。但是，随后的分层机可以施加压力以进行压实。

CEO Alvarado表示，使用12K碳纤维束和环氧树脂，CF3D技术可以打印16束宽度。它生产出的三层厚样品的孔隙率小于1％，平均抗张强度为111 ksi。这项机械测试是美国国防部承包商2017年项目的一部分。后来很快超过200 ksi。同时还完成了针对航空航天内部应用的防火、烟雾和毒性（FST）测试。

△30秒视频：蜘蛛织网一样的无支撑连续纤维3D打印技术（更详细的一分钟版本视频在文末）

技术的发展愿景

Continuous Composites愿景是打破3D打印制造的模式，利用复合材料推进新的平台和工艺。直接与行业领导者共同开发解决方案，确保CF3D技术商业化后可以高效地进入市场。其团队、愿景和专利保护（截止2020.7.28已获44个美国专利，61项国际PCT专利），正在点燃下一场工业革命。

最后，南极熊整理收集了CF3D连续复合材料3D打印技术的几十个专利，提供给大家了解研究。下载请往南极熊3D打印公众号后台回复关键词“ CF3D ”。

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