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連續纖維增強 (CFR) 是Markforged推出的一項創新技術和工藝，它正在快速推動現代制造商對碳纖維3D打印的采用。
本文將深入探討如何通過功能性3D打印零件來實現業務轉型。我們將審視CFR工藝相對于傳統制造工藝所具有的優勢，將這些優勢與制造應用聯系起來，并研究現代制造商如何利用CFR的優勢。
何為CFR
CFR是一種使3D打印機可以用連續纖維來強化熔絲加工 (FFF) 零件的工藝。具有CFR功能的設備使用雙擠出系統：一個用于傳統的FFF線材，另一個用于長股的連續纖維，逐層鋪設連續纖維，替代FFF填充物。由此制作出的零件會顯著提升強度(可達任何FFF材料的10倍)，并可替代應用中的鋁制零件。
碳纖維3D打印工藝優勢
▲ 以更低成本制造出復雜的3D幾何體
得益于能夠自動生成機器指令的切片和打印工藝，3D打印機善于制造復雜的幾何體。在減材機器中，復雜度和成本之間呈指數關系：復雜的2D幾何體需要2軸或3軸CNC銑床，而3D幾何體則需要3至5軸CNC銑床。這些機器的編程和操作費用很高，這使得傳統的制造設計 (DFM) 指南推崇使用復雜度較低的零件。如果零件是復雜的3D幾何體并且需要很高的強度，只有CFR能夠實現金屬級強度。
▲ 高度可定制
CAD至零件的簡單流程使CFR用戶能夠快速地更改設計來解決具體問題。在傳統制造中，制造商面臨的挑戰是必須在低成本、通用型解決方案和非常昂貴的一次性零件之間作出選擇。少量改變通常就會導致成本大幅上升，幸運的是，CFR 3D打印使用戶能夠輕松制造定制的一次性零件。
▲ 針對功能性零件的門檻低
許多3D打印技術實現了可定制性和復雜零件的低成本，CFR的與眾不同之處在于，針對功能性零件它也能實現上述特點。與FFF 3D打印零件相比，CFR制造的零件具有相當大的優勢和特性，其中包括：
零件更堅固
CFR使您能夠動態地將零件強度從塑料強度變成鋁強度。這使用戶能夠設計所需強度的零件并對零件進行3D打印。
耐用性
由于連續纖維具備高強度、高剛度和耐用性，CFR零件在應用中的使用壽命長于任何其他FFF 3D打印零件。此外，填充塑料也具有很高的耐磨性和韌性。
由于CFR 3D打印機能夠制造功能性零件，這種打印機在以下幾個關鍵方面使生產手段更符合工程師的要求：
無需等待報價
當有需求的時候，制造商無需將零件圖紙發出，等待第三方報價。
自動化制造過程
由于3D打印機是自動化的，因此無需人工即可制造零件。
需求點零件
3D打印機適應性強，價格適中，適合大多數企業投資。傳統制造通常需要購買昂貴的機器，外包零件，并且還可能需要大量部署空間。
耐熱和耐化學腐蝕
CFR零件在大多數生產環境中都能抵抗環境熱量，并且經過增強的短纖維填充線材具有的耐化學腐蝕性。
CFR應用
前面我們了解CFR的部分優勢，該技術在整個制造領域具有廣泛的應用兼容性，下面我們來看一些CFR應用：
01 保形工具和夾具
現代制造商可以利用CFR零件的自由幾何復雜性和高功能性，輕松地制造出可以在任何方向容納復雜零件的夾具。
保形工具和夾具可以與CNC機床協同工作，例如，可以制造保形工具以使CNC機床能夠執行原本無法完成的操作。此外，保形夾具所開創的新制造工作流程更經濟、更簡單且更省時。這樣才能夠生產更復雜的零件，而原本用制造工具生產這些零件的成本太高了。
此外，保形工具的性能通常高于標準工具的性能，這是因為它們與待夾持工件之間的表面接觸更全面。它們要比所替代的零件更輕、更硬且更堅固。由于3D打印的成本較低，因此制造商可以為他們的零件制造各種各樣的定制保形工具。
保形工具案例：
● 軟鉗口
用于在銑削、鉆孔、切割或通過其他方式加工工件時夾持工件的保形工具。
● 末端工具 (EOAT)
組裝接觸面零件或末端執行器，例如機械臂上的定制夾具手指。
末端工具 (EOAT)
● 成型工具
CFR零件可以按定制幾何形狀進行設計和打印，從而制作鋼和鋁質的鈑金零件。連續纖維使這些零件具有高強度和耐用性，從而可以精確地操作數千次循環。
成型工具
● 專用測型儀(又稱檢查儀表)
定制打印零件，旨在與制造的零件或裝配件對接以快速確定它是否符合規格。
● CMM檢查夾具
使用定制CMM夾具可以加快復雜零件的CMM設置并提高其可重復性。
02 人體工程學和效率工作輔助
CFR制造已廣為普及，企業可使用此技術來打印過去通常難以制造的零件，這些零件可以提高效率，連接或集成其他零件或者幫助完成手動任務。此外，CFR零件可以針對不同的制造操作進行高度定制，并定期進行迭代以融合反饋。
● 裝配夾具和底板
產品裝配通常是一項高度依賴手動的任務，在此過程中，人體工程學方面的些許改進可以促使效率大幅提高。利用CFR 3D打印，企業能夠設計和制造這樣的零件：它們能夠提高勞動力的工作效率，并減少重復性勞損 (RSI)。
裝配夾具和底板
● 用于制造單元的零件
一旦有能力按需制造功能性零件，制造商便能快速構思、設計和實施用于制造單元和工廠的零件。無論這些零件是支架、傳感器基架、導軌還是其他零件，都能減少與CNC制造零件相關的交貨時間、成本和人力。
● 工作輔助
CFR 3D打印零件可將耗時的手動任務變成簡單任務。對于一些公司來說，內部加工可能需要8-12周的時間，但有了CFR之后，時間可以縮短到幾天。
03 迭代工具
CFR降低了制造功能性零件的門檻，這使現代制造商能夠更輕松地迭代和生產以低成本提供更多價值的零件。
● 原型件
原型件是3D打印機的見用例，借助CFR，用戶可以大幅提高原型件生產能力。利用功能性原型件，可以及早進行測試并獲得更多信息，從而形成您的最終零件設計。
● 橋接工具
與原型件一樣，工具在被鎖定之前通常需要進行多次迭代和大量工作。CFR 3D打印的早期工具可以生產出初步零件，從而為制造商提供有價值的信息，幫助他們了解在大規模生產之前其制造過程的工作方式。
04 備用零件
許多關鍵零件不再得到原始制造商的支持，或者由于供應鏈限制而需要太長時間才能獲得。制造商的另一個痛點是處理那些易碎且不符合所需標準的零件。CFR 3D打印提供了必要的技術手段和敏捷性，能夠快速輕松地制造各種幾何形狀的功能性備用零件，要么作為備用件，要么作為對原始零件的改進。備用零件不限于單個應用，它們可以采用工具、夾具或最終用途零件的形式，延長設備的壽命，并實現持續改進。
無人機原型機
功能性零件由什么組成？
根據定義，功能性是指零件滿足其設計意圖的能力。以下每項要求均是3D打印零件的常見功能性要求。我們已定義每項要求，包括短纖維填充聚合物和CFR如何滿足要求，并重點介紹了哪種技術會產生更大的影響。Markforged零件采用了這兩種技術， 并用連續纖維強化了短碳纖維填充的聚合物。
下面突出顯示了每個功能性要求的主要驅動因素：
功能性要求 | 描述 | 短纖維填充聚合物 | 連續纖維增強 |
剛度 | 材料在負荷下變形的程度 | 相對于傳統聚合物，短纖維將剛度提高了 1.5-3 倍 | 相對于傳統聚合物，連續纖維將剛度提高了20倍 |
強度 | 材料在屈服前所能承受的負荷 | 添加短纖維能略微提高材料的拉伸強度和彎曲強度 | 連續纖維可將強度提高10倍 |
耐用性和耐沖擊性 | 材料在沖擊負荷下抗斷裂和吸收能量的能力 | 尼龍以其耐用性和抗沖擊斷裂性而聞名，添加短纖維進一步提高了耐磨性 | 連續纖維增加了零件在災難性變形前所能承受力的大小 |
耐用性和耐磨性 | 材料抵抗表面材料因摩擦而逐漸去除或變形的能力 | 短纖維提高了聚合物的耐磨性，使其在研磨環境中壽命更長 | 纖維只有在零件外部磨損后才會暴露出來，但在情況下，暴露纖維也能提供耐磨性 |
精度 | 零件在打印后以及應用后與公差尺寸的接近程度 | 短纖維改善了材料的整體熱膨脹系數 (CTE)，從而可提高打印精度并減輕打印缺陷 | CFR不會影響初始零件精度， 但會防止塑料隨時間推移出現常見的尺寸蠕變 |
耐熱性 | 材料在應用過程中對高溫的反應 | 短纖維有助于在高溫下使材料保持穩定，從而減少翹曲 | 相比基體聚合物而言，高強度高溫 (HSHT)和其他長纖維更耐高溫，HDT高達 145℃ |
耐化學腐蝕性 | 材料在制造環境中暴露于有害化學物質后的應對方式 | 纖維填充的尼龍基聚合物可以抵抗制造過程中使用的大多數溶劑和潤滑劑 | CFR的作用十分有限，因為纖維通常不會暴露在化學物質中 |
“功能性”不是制造領域的單一術語，不同的應用對功能性有不同的要求。下面，我們將3D打印需要滿足的功能性要求與各種常見應用對應起來。我們將功能性要求分為關鍵和推薦，其中“關鍵”是指應用中幾乎所有零件都有的要求，“推薦”是指不那么重要或不太通用的要求。請務必注意，即使在具體的應用中，功能性要求也有各種各樣的內容，這一點應作為普遍規則。
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CFR顯著優勢
Markforged是生產能夠使用連續纖維強化零件的3D打印機公司，這將使復合材料零件具有高強度，足以取代機加工金屬。如前所述，CFR的優勢和好處挖掘出了各種應用的潛力，這些應用已幫助現代制造商實現業務轉型。
Markforged精心打造的The Digital Forge是面向現代制造商的簡便易用的增材制造平臺，它將軟件敏捷開發的強大威力和快捷速度融入工業制造。它由在統一平臺上無縫協作的硬件、軟件和材料組成，為特定用途構建，旨在集成到您現有的制造生態系統中，消除設計與功能性零件之間的障礙。采用The Digital Forge的企業可以直接獲得的益處就是大幅節省制造零件所需的時間和資金。此平臺可以讓您的整個運營變得更加敏捷高效，從而提升您的競爭優勢。
THE END
Markforged利用金屬3D打印機和碳纖維3D打印機轉變了制造工藝，能夠生產出足夠堅韌的零件用于工廠車間。的工程師、設計師和制造業都依賴Markforged金屬和復合3D打印機來生產工裝、夾具、功能性原型和高價值的最終用途產品。
關于我們
華融普瑞(北京)科技有限公司作為Markforged在中國的增值經銷商提供3D打印全流程、全價值鏈解決方案，涵蓋面向3D打印的拓撲優化、3D打印服務、材料定制、設備定制和3D打印設備研發等核心環節。公司助力眾多用戶重新定義產品，重塑產品生命周期價值鏈，用戶行業覆蓋汽車、航空航天、醫療、消費品和教育等眾多領域。通過創新型的自主研發和3D打印應用服務為客戶創造價值。
