把3D打印技術(shù)改裝升級一下，結(jié)合傳統(tǒng)工藝的高端制造領(lǐng)域，可能會有著全新的市場需求。碳纖維復(fù)合材料3D打印，就是其中一個方向。全球領(lǐng)先的碳纖維復(fù)合材料3D打印廠商AREVO甚至表示，“在碳纖維自行車車架領(lǐng)域，隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步，成本結(jié)構(gòu)將發(fā)生轉(zhuǎn)變；三年后，中國工廠碳纖維自行車車架的手工制造將被淘汰！
南極熊了解到，美國硅谷初創(chuàng)公司AREVO最近的發(fā)展勢頭迅猛。2020年6月初，AREVO宣布，他們已經(jīng)開始建設(shè)一個世界上最大的高速連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚合物（continuous carbon fiber reinforced polymer ，即"CFRP"）復(fù)合材料增材制造工廠，以 制造即服務(wù)(manufacturing-as-a-service，MaaS)的模式來運(yùn)營，規(guī)?；焖偕a(chǎn)定制產(chǎn)品。連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的強(qiáng)度重量比是鋼的60倍以上，可用于專業(yè)級自行車、一級方程式賽車和最新一代戰(zhàn)斗機(jī)等產(chǎn)品。
目前，其他復(fù)合材料3D打印機(jī)，可以把由幾微米長的切碎纖維組成的長絲，嵌入熱固性塑料長絲中，實(shí)現(xiàn)3D打印零件。但能做出的尺寸是有限的。而Arevo的系統(tǒng)可以打印更大的物體，達(dá)到1立方米。Arevo系統(tǒng)使用的長絲材料是由PEEK基體制成的，里面嵌入了航空級的連續(xù)碳纖維。PEEK是一種常見的可回收塑料材料，提供比其他熱固性材料更好的機(jī)械性能。Arevo的材料直徑為1.2毫米，包含12000束平行的連續(xù)碳纖維，每條纖維的直徑為5至6微米。在纖維長軸方向上，連續(xù)纖維使其性能比切碎纖維，有一個數(shù)量級的提升。強(qiáng)度是鈦的五倍，而重量只有鈦的三分之一。設(shè)計(jì)、打印、生產(chǎn)除了向客戶銷售制造的零件，Arevo還賣3D打印機(jī)。2020年2月，他們在日本賣出了第一套系統(tǒng)，安裝在位于東京的AGC公司，到2020年第一季度末，全球至少有4個制造工廠安裝了這樣的系統(tǒng)，開始制造零件，并計(jì)劃到年底在全球擁有10個客戶。"通過我們云端軟件，成千上萬的設(shè)計(jì)師現(xiàn)在可以訪問它來創(chuàng)建以前從未實(shí)現(xiàn)過的零件，"Bheda說。"而且通過全球打印機(jī)網(wǎng)絡(luò)，他們可以按需打印他們的設(shè)計(jì)。"
其網(wǎng)絡(luò)軟件為制造復(fù)合材料提供了一個端到端的解決方案，從一個3D模型開始，軟件會進(jìn)行分析，并為纖維生成一個最佳的幾何排列。"連續(xù)碳纖維復(fù)合材料通常表現(xiàn)出各向異性，這意味著一些性能會根據(jù)它們沿幾何平面/軸的部位而變化，控制纖維的幾何排列結(jié)合零件需求的載荷，是非常重要的。此外，軟件還可以通過去除材料和推薦最有效的設(shè)計(jì)來協(xié)助設(shè)計(jì)過程，以滿足零件可能遇到的實(shí)際操作條件。接著，它會計(jì)算出所需的復(fù)合材料數(shù)量，并生成使用Arevo的3D打印技術(shù)制造零件的指令。系統(tǒng)還收集零件在制造過程中的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建一個數(shù)字雙胞胎，精確體現(xiàn)零件的打印狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)可以用于質(zhì)量保證，為檢測和分析提供強(qiáng)大的助力。激光DED除了在軟件和材料方面的突破，Arevo還開發(fā)了一種基于激光DED（即直接能量沉積）的專利3D打印工藝。Arevo的核心技術(shù)：DED工藝。激光束熔化剛加上去的聚合物細(xì)絲和上一層沉積打印的材料，形成液-液界面。同時，使用一個滾軸施加壓力，將層與層之間的空隙率降低到小于1％，達(dá)到消除分層橫截面的目的。其實(shí)這思路和中國武漢華中科技大學(xué)張海鷗教授的“微鑄鍛”金屬3D打印技術(shù)類似，但后者使用的金屬材料，而不是高分子聚合物
在打印過程中，多軸自動機(jī)械臂和平臺可自由移動，實(shí)現(xiàn)三個以上的自由度沉積材料。通常的增材制造技術(shù)，包括堆疊2D平面材質(zhì)層，來構(gòu)建3D對象
DED工藝使用激光源來熔化聚合物長絲，同時也熔化之前沉積的材料，以創(chuàng)建一個液體到液體的界面，實(shí)現(xiàn)原位鞏固（ in-situ consolidation）；同時，它還施加了一個壓力，將空隙率降低到1%以下，消除了層，使截面看起來更均勻。"
這種復(fù)合3D打印工藝，實(shí)現(xiàn)高性能，可以初級航空航天結(jié)構(gòu)上使用。
3D打印碳纖維自行車
全球首款3D打印的碳纖維電動自行車Emery One。Arevo與高端自行車制造商Franco Bicycles合作開發(fā)一款新的電動自行車.
傳統(tǒng)的復(fù)合材料自行車車架，需要18個月的時間來設(shè)計(jì)和投入生產(chǎn)；但連續(xù)纖維3D打印技術(shù)可以將時間縮減到幾周。車架制造商通過打樣試錯，建立超過20次的設(shè)計(jì)迭代。當(dāng)他們確定一個設(shè)計(jì)時，就手工制造一個原型車，騎上去，然后改變設(shè)計(jì)；如此重復(fù)。然后，安排工廠來制造自行車，通常是在中國。經(jīng)南極熊3D打印網(wǎng)查詢得知，高端自行車車架廠商，基本上都是在中國生產(chǎn)。
左：自行車車架必須在幾個點(diǎn)上支撐重量。中：自行車零件之間的間隙通常非常緊密。右：3D打印碳纖維的整體重量很輕.
工廠制造的復(fù)合材料車架是由27到30個不同的零件手工制作而成，最后粘合在一起。而Arevo的系統(tǒng)，所有的設(shè)計(jì)工作，包括分析和優(yōu)化，都可以通過軟件來完成的，大大降低研發(fā)成本；同時3D打印一個整體單一部件，連續(xù)纖維智能放置在車架內(nèi)，提供前所未有的結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性。
"如今，在生產(chǎn)的200萬個復(fù)合自行車車架中，99%都是中國制造的。"Arevo聯(lián)合創(chuàng)始人兼董事長Bheda說。"我們相信，隨著技術(shù)的進(jìn)步，成本結(jié)構(gòu)將發(fā)生轉(zhuǎn)變，三年后，手工制造自行車車架將被顛覆，被淘汰。"Arevo還在研究其他一些應(yīng)用，包括自行車和滑板車的車輪。用于運(yùn)輸包裹的商用無人機(jī)制造商對復(fù)合材料的輕量化很感興趣，還有網(wǎng)球拍和溜冰鞋（用于連接金屬葉片和靴子的結(jié)構(gòu)）在內(nèi)的運(yùn)動設(shè)備制造商。
航空航天、建筑和汽車領(lǐng)域等其他戰(zhàn)略應(yīng)用也在開發(fā)中。
中國的連續(xù)碳纖維3D打印據(jù)南極熊了解，中國連續(xù)碳纖維3D打印方面的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)非常少，但也有一些研究相關(guān)技術(shù)的大學(xué)和研究所團(tuán)隊(duì)，感興趣可聯(lián)系南極熊。
