3D打印与碳纤维复合材料白皮书第一版
White Paper of 3D Printing and Carbon Fiber Reinforced Composite V1 前言 树脂基碳纤维增强复合材料的出现，为现代工业提供了优良材料。其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。 传统树脂基纤维增强复合材料制造仍极大依赖于编织纤维板与热固性树脂，属于劳动密集型以及高成本的制造工艺。自动化纤维铺设系统虽然已投入使用，但应用范围有限并且属于资本支出密集型技术。 向自动化、大规模生产树脂基碳纤维增强复合材料零件的过渡，将是一个渐进的过程。增材制造-3D打印技术是这一过渡中的核心技术之一。3D打印技术正在被无缝集成到自动化的端到端流程中，从而提升树脂基碳纤维增强复合材料零部件生产的效率及性能。这一趋势在连续纤维增强3D打印技术领域体现的较为明显。做到这一点，需要企业具有复杂制造工程的知识，并开发出配套的3D打印硬件及软件。另一方面，碳纤维增强复合材料是提升热塑性塑料3D打印零件性能的途径之一，为制造更强、更大的热塑性塑料3D打印零件创造了条件。这是短纤维增强复合材料3D打印技术得到发展的原因。 从事纤维增强复合材料3D打印技术的企业正致力于推动面向规模化生产的技术，3D打印技术在碳纤维复合材料制造领域的重要性将得到提升。 感谢合作伙伴对本白皮书的支持，更多信息请访问：www.3dsciencevalley.com。 3D科学谷市场研究团队.2022年 碳纤维增强复合材料 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 3DScienceValley 碳纤维及其特性 碳纤维指的是含碳量在90%以上的高强度高模量纤维，是以用晴纶和粘胶纤维做原料，经高温氧化碳化等多到工序制成的特殊产品。自前主要用于与树脂(80%以上）、金属、陶瓷、橡胶等基体进一步混合加工成碳纤维复合材料。 3DScienceValley 碳纤维类别 按碳纤维数量 小丝束丝束数量小于24K的碳纤维（1K代表一束碳纤维中有1000根丝），主要用于国防军工、航空航天领域大丝束丝束数量大于等于48k的碳纤维，用于通用工业领域 按力学性能 通用级 (GP)GP级通常指拉伸强度<1.2GPa；拉伸模量<50GPa的碳纤维产品。高性能 (HP)标准型：拉伸强度3.53GPa拉伸模量230GPa高强型：拉伸强度≥4.00GPa高模型：拉伸模量≥390GPa高强高模型：拉伸强度3.92~4.41GPa、拉伸模量377~588GPa 3DScienceValley 碳纤维增强复合材料 纤维增强复合材料分类 碳纤维增强复合材料 连续纤维复合材料处非连续纤维复合材料短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中 碳纤维是有机纤维（聚丙烯腈纤维为主）经过碳材料进一步混合加工（按一定方向排布）成碳纤维复合材料。 3DScienceValley 树脂基碳纤维增强材料市场 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 热塑性树脂碳纤维增强复合材料发展趋势 受惠于绿色经济发展以及热塑性材料的环保优势，包括工程塑料、长纤维增强热塑性复合材料、连卖纤维增强热塑性复合材料在内的各类热塑性复合材料在汽车轻量化、家电、建筑等领域的应用越来越广泛，产量有望继续保持高速增长。除此之外，在高端医疗、轨道交通轮船、航空、体育休闲领域其渗透率也将越来越广，也是热塑复材未来的一个潜在增长点。 CF/PEEK复合材料制造的零件 全球热塑复合材料市场将由2019年的280亿美元增长至2024年360亿美元。年增长复合率为5.2% 参考资料：中国复材《2021年中国复合材料行业发展情况简报》；Review of methods for enhancing interlaminar mechanical properties of fiber-reinforced thermoplasticcomposites: Interfacial modification, nano-filling and forming technology; 图: aipprecision 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 根据工信部委托汽车工程学会编写的《节能与新能源汽车技术路线图》指出汽车轻量化近期优先发展高强度钢与铝合金，中长期发展镁合金和碳纤维复合材料的技术路线 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 中国树脂基碳纤维复合材料细分市场概况 就树脂基碳纤维复合材料的需求量结构而言，第一名为风电叶片，占40.9%；第二名为体育休闲占29.9%。航空航天整体需求量虽然较少，但技术要求高，整体价格高，这是该领域销售收入占比高的主要原因。 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 短切碳纤维增强塑料以超越塑料的力学性能，1低于连续纤维的成本及规模成型便利性，在无人机领域得到增长。 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 预计2025年全球风电叶片碳纤维用量将达到8.06万吨。得益于全球碳中和背景下风电装机的快速增长，以及叶片大型化背景下碳纤维的渗透率上升，未来风电叶片仍将是拉动碳纤维需求增长的主要引擎。再加上氢能、光伏等新能源领域的需求不断攀升，碳纤维市场空间更加广阔。 3DScienceValley 应用逻辑 质量轻、强度高、刚性大在有效地降低车体质量的同时，也提高了车体运行的平稳性和安全性。 潜在应用 车体、转向架构架、司机室、设备舱及设备机体 挑战 成本高于金属材料；质量一致性、生产效率等很难达到传统金属材料产品的实际制造要求 发展方向 突破传统低效的手工工艺，重点发展高效、智能化可连续、快速生产的工艺。 3DScienceValley 中国碳纤维复合材料下游应用市场-体育用品 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 中国碳纤维复合材料下游应用市场-压力容器 12 燃料电池汽车景气加速碳纤储氢瓶渗透 根据MarketWatch，截至2026 年，全球复合材料压力容器的市场规模预计将从2020 年的14.5亿美元增至19.6亿美元，复合年增长率为5.2%。前期天然气存储和运输一直为压力容器供应链的重点，但自2020年起储氢压力容器受到更多关注《中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2019版）》显示，2030/2050年，我国燃料电池乘用车销量占全体乘用车市场份额的3%/14%，氢能消费占交通领域整体用能的19%-28% 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 中国碳纤维复合材料下游应用市场-汽车 13 密度低、强度高、耐腐蚀等优秀特征，碳纤维复合材料是未来汽车材料的主要发展方向。 3DScienceValley 14树脂基纤维复合材料传统成型工艺 树脂基纤维复合材料成型工艺 手糊成型-显法铺层真空袋压法成型压力袋成型树脂注射和树脂传递成型喷射成型真空辅助树脂注射成型夹层结构成型模压成型注射成型挤出成型纤维缠绕成型拉挤成型连续板材成型离心浇注成型 碳纤维复合材料3D打印技术 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 碳纤维复合材料3D打印技术 续碳纤维增强复合材料3D打印 In-situimpregnation-原位浸渍：将干纤维送入喷嘴同时在通过共挤出进行沉积的过程中，通过一种或多种流入方式注入基质材料。在沉积前将基体引入，加热并原位浸渍纤维。 Co-extrusionwithtowpreg-丝束共挤出In-situ impregnation-原位浸渍Towpreg extrusion-拖丝挤出In-situ consolidation-原位合并Inline Impregnation-内联浸渍CFF-连续长丝制造 Co-extrusionwithtowpreg-丝束共挤出：代替干纤维，将预浸料/薄预浸料带送入喷嘴，加热并与其他基质材料共挤出。通常，丝束中的基质与共挤出中的基质相同。Anisoprint是一个例外，其中的预浸料基质是热固性的，而共挤出是热塑性的。 短碳纤维增强复合材料3D打印 Towpregextrusion-拖丝挤出：丝束料的输入被加热并挤出而没有任何其他材料， FFF-熔融长丝制造DIW-robocasting-墨水直写SLS-选区激光烧结 In-situconsolidation-原位合并：这种工艺类似与热塑性塑料自动纤维铺放（AFP）的缩小版本，其中在沉积时将输入的热塑性丝束/预浸料带原位固化。在进料过程中，原料由喷嘴处的外部能源加热，然后在沉积过程中通过压力辊放置和固化。 *丝束挤出通常被描述为熔融沉积3D打印技术，这类技术已被作为低成本的纤维增强复合材料制造方法。熔融沉积（FDM）术语由Stratasys注册了商标。为避免与注册商标的冲突，在3D打印行业中，通常用熔融长丝制造（FFF）表示该工艺。 InlineImpregnation-内联浸渍：与3D细丝缠绕类似在将纤维传输到打印头时将其浸渍。如同丝束挤出一样沉积是通过喷嘴进行的 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 16连续碳纤维复合材料3D打印技术 丝束共挤出Co-ExtrusionwithTowpreg 原位合并In-situConsolidation 拖丝挤出TowpregExtrusion 内联浸渍InlineImpregnation 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 连续碳纤维复合材料3D打印技术 连续纤维3D打印技术能够根据最终零件所要承受的负载，进行特殊的加固。左图中，零件的孔周边进行了加固，该技术允许对纤维施加线性载荷，保证了零件高机械性能。 通过连续碳纤维3D打印技术，可以选择零件应加强的方向，从而产生战略性各向异性零件 3DScienceValley 3DScienceVlley 连续碳纤维增强3D打印材料辅助工艺 由于上一个3D打印材料沉积层温度相对较低，相邻层之间出现连续纤维而导致的聚合物基体较少，这一现象将导致材料挤压工艺连续碳纤维增强材料3D打印的层间粘合薄弱，从而限制零件的力学性能。辅助成形工艺旨在进一步提高连续碳纤维3D打印零件的力学性能。 激光原位预热：旨在解决层间问题微波加热固化：旨在解决纤维与基体的界面问题热辊压实致密化：旨在解决为致密化、减少孔隙 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 20短纤维增强热塑性复合材料与FFF3D打印技术 包括玻璃纤维和碳纤维（CFs）在内的典型短纤维是提高3D打印热塑性塑料基体材料机械性能的常用增强材料。 纤维增强热塑性塑料复合材料的纤维取向和空隙率在确定最终复合材料零件的性能方面起着重要作用 在飞机、汽车等轻量化工程工装夹具定制终端零件制造等领域受关注 纤维含量将对3D打印部件的机械性能产生影响。例如研究表明，由FDM/FFF3D打印制备的ABS/碳纤维复合材料显示出随着纤维含量的增加，拉伸强度和模量增加，并且在40wt%的纤维负载下可以获得最大115%和700%的增加 3DScienceValley 短纤维增强热塑性复合材料与FFF3D打印技术 3D打印短纤维增强复
