导读：连续碳纤维是3D打印中最具潜力的材料之一，因为它可以将脆弱的聚合物部件转化为几乎具备金属部件强度的物品。然而，对于碳纤维的使用存在一些难度。

3D 打印中连续碳纤维的优化布局，图片来自：ArXiv

近日，研究人员开发了一种在3D打印中使用连续碳纤维的新方法。首先，我们先来回顾一下已有的两种方案。第一种方法是碳纤维复合材料。基本原理是将标准聚合物与切碎的碳纤维混合并形成丝状材料。碳纤维在其中的作用类似于混凝土中的碎石，使得固化后的材料更为坚固。

但在熔融沉积成型（FFF）3D打印机中使用这种材料时，有一个限制：切碎的碳纤维长度必须远小于喷嘴直径。这意味着它们的长度必须小于0.4毫米，通常会更短。如果纤维过长，可能会聚集在一起导致喷嘴堵塞。

虽然这种“CF”部件确实更强，但它们只利用了这些微小长度的碳纤维。那么，能否使用更长的碳纤维呢？答案是肯定的！一些公司，如Markforged和奈索三维（Anisoprint），提供的专用3D打印机能够打印连续碳纤维。

所谓“连续”碳纤维，指的是纤维长度不固定，可以根据部件的需要进行调整。这些机器配有碳纤维丝卷和聚合物丝卷。在打印过程中，专用工具头会在聚合物层之间铺设连续碳纤维，使部件具有极高的强度。

但这过程极具挑战性。为了最大化碳纤维的强度，纤维的长度必须尽可能长。例如，如果打印一个螺旋桨，你希望纤维和叶片一样长。如果将纤维剪成两半，会在叶片上引入弱点。

这意味着需要找到一种方法，将这些长纤维“穿入”打印中。

事实证明，以最佳方式实现这一点相当复杂。切片软件必须生成复杂的工具路径，以铺设纤维，但不能在同一层上重叠或引入其他问题。目前的商业产品确实能做到这一点，但可能没有充分发挥连续碳纤维的潜力。

据资源库了解，德国的研究人员开发了一种优化使用连续碳纤维的新方法。

他们解释了这种方法：

“我们提出了一种新方法，通过创建连续碳纤维增强热塑性塑料3D打印的工具路径。可以实现承重连接，同时避免路径交叉不可制造的问题。我们需要一个包含给定连续纤维连接的结构设计图。通过解决线性整数优化问题，可以为每一打印层获得最佳纤维模式。每一层的解决方案可能会基于前一层的历史而有所不同。”

他们的方法涉及使用贝塞尔曲线（样条）和复杂的逻辑来检测和避免重叠，需要解决多个离散线性规划问题。根据输入几何形状和优化需求，这一过程非常复杂，但能显著增强部件的强度。

这项重要的发展如果被连续碳纤维3D打印机制造商采用，可能会极大地增强部件的强度。值得注意的是，这种算法不需要在硬件上对现有连续碳纤维设备进行很大的改动。

导读：连续碳纤维是3D打印中最具潜力的材料之一，因为它可以将脆弱的聚合物部件转化为几乎具备金属部件强度的物品。然而，对于碳纤维的使用存在一些难度。

3D 打印中连续碳纤维的优化布局，图片来自：ArXiv

近日，研究人员开发了一种在3D打印中使用连续碳纤维的新方法。首先，我们先来回顾一下已有的两种方案。第一种方法是碳纤维复合材料。基本原理是将标准聚合物与切碎的碳纤维混合并形成丝状材料。碳纤维在其中的作用类似于混凝土中的碎石，使得固化后的材料更为坚固。

但在熔融沉积成型（FFF）3D打印机中使用这种材料时，有一个限制：切碎的碳纤维长度必须远小于喷嘴直径。这意味着它们的长度必须小于0.4毫米，通常会更短。如果纤维过长，可能会聚集在一起导致喷嘴堵塞。

虽然这种“CF”部件确实更强，但它们只利用了这些微小长度的碳纤维。那么，能否使用更长的碳纤维呢？答案是肯定的！一些公司，如Markforged和奈索三维（Anisoprint），提供的专用3D打印机能够打印连续碳纤维。

所谓“连续”碳纤维，指的是纤维长度不固定，可以根据部件的需要进行调整。这些机器配有碳纤维丝卷和聚合物丝卷。在打印过程中，专用工具头会在聚合物层之间铺设连续碳纤维，使部件具有极高的强度。

但这过程极具挑战性。为了最大化碳纤维的强度，纤维的长度必须尽可能长。例如，如果打印一个螺旋桨，你希望纤维和叶片一样长。如果将纤维剪成两半，会在叶片上引入弱点。

这意味着需要找到一种方法，将这些长纤维“穿入”打印中。

事实证明，以最佳方式实现这一点相当复杂。切片软件必须生成复杂的工具路径，以铺设纤维，但不能在同一层上重叠或引入其他问题。目前的商业产品确实能做到这一点，但可能没有充分发挥连续碳纤维的潜力。

据资源库了解，德国的研究人员开发了一种优化使用连续碳纤维的新方法。

他们解释了这种方法：

“我们提出了一种新方法，通过创建连续碳纤维增强热塑性塑料3D打印的工具路径。可以实现承重连接，同时避免路径交叉不可制造的问题。我们需要一个包含给定连续纤维连接的结构设计图。通过解决线性整数优化问题，可以为每一打印层获得最佳纤维模式。每一层的解决方案可能会基于前一层的历史而有所不同。”

他们的方法涉及使用贝塞尔曲线（样条）和复杂的逻辑来检测和避免重叠，需要解决多个离散线性规划问题。根据输入几何形状和优化需求，这一过程非常复杂，但能显著增强部件的强度。

这项重要的发展如果被连续碳纤维3D打印机制造商采用，可能会极大地增强部件的强度。值得注意的是，这种算法不需要在硬件上对现有连续碳纤维设备进行很大的改动。