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金博士碳纤维3D打印演讲笔记¶

开场与背景介绍¶

主讲人：金明德博士（上海复志负责材料测试、研发及应用业务拓展）
目的：为今年ROMAS比赛做碳纤维3D打印培训，面向上海交大、南科大、哈工大深圳等赛队
内容四部分：
碳纤维3D打印基础知识
ROMAS相关的打印应用（包括碳纤维和普通材料）
针对ROMAS比赛的打印技巧（材料选择、参数设置）
交流互动
透露：大疆去年购买了复志的ERCF碳纤维专用3D打印机，使用PPACF、尼龙12CF、PTCF等材料
涉及未上市材料：芳纶纤维增强、玻纤增强、高碳纤维进口材料

纤维增强复合材料概述¶

常见增强纤维类型¶

纤维类型	特性	常见应用
碳纤维	高强度、高模量、轻质	无人机、汽车、航天
玻璃纤维	耐热、防火、成本低	工业部件
凯夫拉纤维 (Kevlar / 芳纶)	耐磨、抗冲击	防弹衣、防护盔甲

金属材料通常不需要纤维增强，增强对象主要为高分子材料（塑料）

碳纤维发展¶

起源于美国研发，由日本率先商业化
目前日本、美国、德国、意大利在碳纤维制造方面领先
制备工艺复杂（预氧化、碳化等），属于“卡脖子”技术，中国正在赶超

碳纤维的性能与优势¶

材料性能对比图解析¶

坐标：
横坐标：密度（以水=1为基准，金属约7-8，高分子约1-2）
纵坐标：杨氏模量（材料刚性，越高越不易形变）
CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastic）：密度远低于金属，模量接近金属
普通高分子（尼龙、ABS）模量很低，与碳纤维复合材料性能差距极大
结论：碳纤维复合材料是实现“以塑代钢”的最佳选择

增强形式¶

连续纤维增强（CFRP）：预浸料+热固性树脂，常见于跑车车身、自行车车架（如瑞士BMC公司）
短切纤维增强：将碳纤维切成一定长度（2~6mm或0.15mm粉末），与热塑性塑料混合
连续纤维3D打印：在打印过程中同步铺设连续纤维束

3D打印中的碳纤维增强¶

连续纤维 vs 短切纤维¶

类型	优点	缺点
连续纤维	性能极强（模量接近金属），强度极高	成本高（小样件可达100美元），仅能在单一方向增强，垂直方向弱
短切纤维	可挤出性好，成本低，各向同性更好	性能低于连续纤维，但差距在缩小（复志材料已接近凯夫拉水平）

拉伸曲线对比¶

连续碳纤维增强：斜率最高（模量最高），强度超过6061-T6铝合金
凯夫拉纤维：稍弱
玻璃纤维：居中
短切碳纤维：性能低于连续纤维，但远高于纯塑料

常见碳纤维增强3D打印材料¶

1. PTCF（PET+碳纤维）—— 入门级推荐¶

基体：PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯），价格实惠，本质性能不错
加入碳纤维后：
耐温从70~80℃提升至150℃
模量从约2000 MPa提升至6000 MPa（提升2~3倍）
各向异性：XY方向6000 MPa，Z方向3200 MPa（层间较弱）
优点：性价比高，性能均衡，吸水性低于尼龙
处理建议：打印前必须干燥（碳纤维有毛细效应易吸湿）；打印后建议退火

2. PA12 CF（尼龙12 + 碳纤维）¶

基体：PA12（尼龙12），酰胺基团间距较大（每6个碳含1个酰胺），吸水性较低
性能：模量约4~6 GPa（XY方向），具有优秀的韧性和尺寸稳定性
注意：尼龙吸水会显著降低模量（可下降一半），必须充分干燥，打印后退火

3. PPA-CF（高性能尼龙 + 碳纤维）¶

基体：PPA（聚邻苯二甲酰胺），含苯环，吸水性更低，耐温更高
碳纤维含量：15%（较高填充量，再高会导致挤出困难、纤维浮出、层间结合力下降）
模量：约7.8 GPa（接近8 GPa），Z方向性能也非常好
定位：高性能工程塑料，适合终端使用

4. 玻璃纤维增强（PPA-GF）¶

优点：可染色（碳纤维只能黑色），成本比碳纤维低约30%
模量：约4.8 GPa，远高于普通塑料（1~2 GPa）
注意：玻纤表面含羟基亲水基团，吸湿比碳纤维更严重，打印难度大

5. 其他材料¶

材料	特点
PP+碳纤维	PP本身不吸水、密度低，但打印易翘曲；加碳纤维后翘曲被抑制，保留PP特性
PC+碳纤维/玻纤	阻燃性可达V0级，用于有防火要求的应用
ABS+凯夫拉纤维	耐磨性好，适合夹具、治具（每天磨几百上千次）
PVDF+玻纤	完全不吸水（PVDF本身疏水），但打印难度高

打印处理关键注意事项¶

干燥（必须）¶

碳纤维的毛细效应会吸附空气中的水分，加热时产生气泡、孔隙，导致性能下降
所有纤维增强材料（尤其是尼龙基材）打印前必须烘干

退火（强烈建议）¶

作用：
消除打印过程中产生的内应力（防止翘曲、变形）
提高结晶度（增加强度、尺寸稳定性、抗蠕变性）
方法：在材料玻璃化转变温度（Tg）以上10~20℃（如PTCF约70℃ Tg，退火80~100℃）保温数小时
副作用：结晶度提高可能带来收缩和变脆，需平衡

尺寸稳定性¶

纤维增强材料因退火、结晶、吸湿，尺寸偏差难以精确控制（XY和Z方向差异大）
复志通过校准和软件参数优化，保证最佳打印效果

开放耗材与设备兼容性¶

复志设备（如E2CF）不仅支持自有材料，也兼容第三方耗材
实验室已验证多种第三方材料（如Polymaker、Caxelens、巴斯夫、意大利公司PPE+CF等）
用户只需在软件中选择对应参数，即可获得良好打印性能
示例第三方材料：
巴斯夫PP+GF
意大利公司PPE+CF
PVDF+GF（完全不吸水）

材料性能总结¶

纤维增强对材料性能的改善（四维度）¶

性能指标	改善效果
杨氏模量（刚性）	显著提升（红色虚线右侧为未增强，左侧为增强后）
拉伸强度	显著提升
热变形温度（HDT）	显著提升
冲击强度	可能略有下降（因纤维浮在表面影响层间结合）

适合对力学性能和热性能有高要求的应用

演讲结束语¶

感谢现场和线上同学的耐心
鼓励赛队在ROMAS比赛中取得统治级表现