了解碳纖維 3D 列印：類型與技術

碳纖維很少單獨使用，通常會與其他材料結合形成所謂的複合材料，在此特定情況下稱為碳纖維增強材料。碳纖維 3D 列印透過將碳纖維與基材複合，實現輕量化與高強度的完美結合，能賦予塑膠零件金屬等級的強度，以及耐熱、耐化學與耐腐蝕性能。越來越多 3D 列印公司開始為航太、汽車製造與建築工程等產業，提供碳纖維增強材料或與此複合材料搭配使用的技術。本文將介紹碳纖維 3D 列印的定義與類型。

來源：https://www.nitprocomposites.com/products

技術原理與材料類型

在 FDM 3D 列印中，碳纖維通常以短切或研磨纖維的形式嵌入熱塑膠線材。這些纖維扮演強化「骨架」的角色，提升剛性、尺寸穩定性與耐熱性。不同於連續碳纖維材料（如 Markforged 的專利技術），FDM 碳纖維仰賴分散在聚合物基材中的短纖維。

依纖維形態與加工方式，主要分為三類：

研磨碳纖維材料

將微米級碳粉與塑膠混合，雖可呈現消光表面效果，卻會顯著降低材料強度。此類材料價格低廉（如 ABS 混合材每卷 30 美元），僅適合外觀原型或非承載部件。

短切碳纖維複合材料

工業級材料使用 0.5–1 mm 短切碳纖維強化，並依應用情境細分：

通用級：與尼龍等工程塑膠結合，提升耐衝擊性

航太級：與 PEEK、PEI 等高性能聚合物結合，滿足耐高溫需求

此類材料可用於製造功能原型、生產夾具與嚴苛環境下的終端零件，在保持基材 85% 性能的同時，顯著提升尺寸穩定性。

連續碳纖維技術

以 Markforged 為代表的連續纖維製程，透過分層沉積連續碳纖維束，獲得接近金屬的機械性能。其產品強度可達一般塑膠的 30 倍、比強度為鋁的 3 倍，密度僅為鋼的 1/7。雖需專用設備且成本較高，但在替代承載結構件方面優勢明顯。

來源：https://3dprintingindustry.com/

材料加工與製程控制

短切碳纖維

碳纖維 3D 列印採用短碳纖維增強熱塑膠，這些短纖維通常小於 1 mm，均勻混摻於基材（如 PLA、PETG、ABS）中以提升強度與剛性。雖然碳纖維填充料能顯著提高零件機械性能，但其高硬度與耐磨性會導致噴嘴快速磨損，建議選用不鏽鋼、硬化鋼或碳化鎢噴嘴以避免快速損耗。此外，過高的碳纖維含量可能影響列印表面品質，應依需求選擇適當比例。

列印參數方面，碳纖維增強材料的溫度設定通常與其基材相近。例如 CF-PLA 可參考一般 PLA 的參數，但由於碳纖維可能影響熔體流動性，建議適度降低列印速度（如 30–50 mm/s）以改善層間結合。列印完成後，噴嘴內易殘留碳纖維顆粒，建議以 15–20 cm 純 PLA 線材進行清潔，避免堵塞。此外，碳纖維的高磨耗性會加速噴嘴老化，定期檢查磨損並及時更換耐磨噴嘴，有助維持列印品質與設備壽命。

連續碳纖維

與纖維填充線材不同，連續纖維透過額外的連續纖維增強（CFR）製程實現。CFR 讓使用者能靈活地在零件內鋪設連續纖維，因此可更精準控制碳纖維用量，並依負載需求策略性排布纖維以達最佳效果。經優化的零件還能縮短製造時間並降低成本。Markforged (https://markforged.com/) 指出，使用連續纖維時可透過兩種關鍵方法調整：1. 決定是否在每層放置連續纖維；2. 為需增強的每層制定強化策略。常見的連續纖維技術範例包括：

夾芯板

類似傳統複合材料疊層，僅在零件上下表面添加連續纖維。在多數彎曲負載下，零件表面應力最高，夾芯板用以抵抗 Z 軸方向的力量。

外殼

外殼類似夾芯板，但在每層壁面內使用封閉環狀連續纖維。外殼強化將連續纖維置於每層外圍，以抵抗 XY 平面內的力量。

條帶

條帶遵循夾芯板風格，但在零件關鍵區域添加「條帶」狀連續纖維。條帶可用於較高夾芯板，以分散負載並降低填充材屈曲風險。