“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

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近日，连续纤维复合材料3D打印公司 Markforged 展示了该技术在飞机内饰件维修中的应用，体现出非金属3D打印技术在此领域的潜力与意义。

飞机在进行定期维修保养时，常因老旧零部件原备件缺失而面临挑战，可能导致飞机停飞数月。为解决这一问题，Markforged 的用户 Spectrum Networks 采用连续纤维复合材料设备 FX10 制造飞机内饰件，实现了备件的小批量快速生产。

在最新披露的案例中，Spectrum 公司通过 FX10 3D打印飞机内饰件，并将其交付给飞机维修服务商 ALOFT AeroArchitects 进行安装。这些部件所服务的对象主要为私人飞机或某些政要乘坐的飞机。

其中一类典型的3D打印内饰件是飞机天花板上使用的照明装置。该飞机机龄已达20年，天花板上多个照明灯需要更换。原装照明灯为卤素灯，而替换件则为带有3D打印外壳的LED灯。

这款3D打印照明装置由 Spectrum 根据用户提供的尺寸与设计要求进行设计与制造，并符合原有零部件的认证数据。

图为 ALOFT 待更换照明灯的飞机天花板，约有86个灯需要更新。通常情况下，新照明装置与天花板原有安装孔并不完全匹配，需进行扩孔或填孔处理。若所有86个孔均需调整，将既耗时又增加可观成本。

而3D打印所提供的定制化照明装置解决方案有效克服了这些困难，将交付周期从过去的3–6个月缩短至数周之内。

关于3D打印LED照明装置的质量，Spectrum 公司的用户分享了以下观察：

FX10 设备配合连续纤维复合材料所制造的3D打印部件具备结构完整性与可直接安装的表面光洁度。零件打印完成后无需进行其他后处理即可发货交付客户。

航空零部件需满足严格的FAA适航认证要求，3D打印零件也不例外。FAA 通常要求证明打印零件与设计图纸具有一致性。用户指出，Markforged FX10 设备在打印过程中会对每个零件进行自动激光测微仪检测，并自动生成逐层合规性报告。

这一创新有助于加速3D打印零件获得航空监管认证的进程。

据悉，2024年，Spectrum Networks 使用 Markforged 3D打印机生产了超过10,000个经认证的飞行零件。每一个零件都在帮助客户实现飞机内饰的更换、减少停机时间，并保障机队的正常运营。

文中动图来源：Markforged

参考资料：中航军工研究《深度 | 增材制造：由“可选”到“必选”，由“配角”到“主角”》

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Markforged 公司近日提出了一种在用途不明确并且无需专业仿真工具知识的情况下, 就能够为增材制造用户提供下一级别强度分析的方法。

 如何工作？

新的Performance Advisor（性能顾问）功能现在集成到Markforged 增材制造软件Eiger中，提供了一种新颖的分析零件性能的方法，自动生成推荐的3D打印设置，旨在使零件更强大，同时将额外成本和3D打印时间降到最低。该公司的订阅附加功能建立在Markforged收购Teton Simulation Software的能力基础上，用于在存在已知用例时优化零件强度。

 Markforged仿真背后的原理

Performance Advisor 使用一种专利的基于物理性质的分析方法，允许进行结构分析而无需用例，使其可供所有人使用，包括那些不熟悉结构分析或仿真的人。软件无需用户输入，自动分析零件并建议3D打印设置以提高强度，同时展示额外成本和3D打印时间，使用户能够计算性能改进是否值得。Performance Advisor建议通过调整外壳厚度的屋顶和壁层来改善强度比，用户可以通过单击一个按钮应用建议的设置或忽略它们，继续进行Eiger工作流程的其余部分。

“对于那些无法使用先进高价格的仿真工具或不知道特定用例是什么的用户，这使他们能够通过一键获得明显更高强度的零件建议，”Markforged的产品营销经理Rick Dalgarno解释说：”我们正在努力找到一个平衡点，意在优化使用容易度和打印成本的情况下提供更高强度的零件。”

虽然Performance Advisor在用户不确定如何使用零件时作为轻量级工具帮助客户实现更强大的零件，但仿真是用于优化已知用例的零件强度并提供更详细见解的首选工具。通过仿真，用户配置一个描绘现实世界约束的用例，并且软件计算零件强度的估算值，同时优化3D打印设置以满足安全系数目标。这里的目标也是在保持材料成本和3D打印时间最低的情况下提高整体零件强度。

Markforged设想性能顾问是通往模拟的过渡阶段，用户在准备深入进行强度分析时可以使用模拟。Markforged软件产品管理团队主管Doug Kenik表示：”性能顾问是通往模拟的滑行路径，用户对零件了解更多并想提出一些更详细的问题时可以使用模拟。”

仿真是高级订阅中的一个增值功能，而Performance Advisor对所有已在Markforged Eiger软件中注册3D打印机的用户都可用。官方表示，计划对Performance Advisor进行增强，以考虑填充密度和连续纤维能力作为其强度评估的一部分。

根据Markforged，该功能上线仅三天，已有超过1500+Markforged零件使用了Performance Advisor的3D打印前仿真验证。

l Markforged 中国
china@Markforged.com

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虽然默认的纤维设置对大多数应用都有效，但某些情况需要手动放置纤维。纤维覆盖允许更多地控制纤维的放置，使用户能够为指定的层自定义纤维设置。

在之前，为了确保零件的完成度和完整性，这些定制的纤维覆盖设置只能应用于特定层上。现在Markforged宣布一项新功能——纤维覆盖素描（sketch），它允许用户在每个层内控制纤维的放置。

 为什么要使用 纤维覆盖素描？

这项新功能提供了对纤维路由的更多控制。用户可以有选择性地加强零件上的关键特征，而无需加强整个零件或层。这可以更有效地利用连续纤维，进而降低材料成本。

工作流程很简单：创建一个纤维覆盖（override），添加一个素描（sketch），纤维路由将自动更新。

将仿真与这一新功能结合使用可以加速找到并验证确保零件性能所需的纤维量的过程。

在这一新的功能中，用户可以通过在X射线视图中进行素描，精确地指定在一组层内的特定区域内添加或移除纤维。这使用户能够更加灵活地调整零件的强度和刚度，而无需对整个零件或层进行全面的纤维加固。这项功能为用户提供了更高级别的控制，以满足特定设计和性能需求。

© Markforged

在内部视图中添加素描（sketch），以在一组层内的特定区域添加或移除纤维。

 应用实例

举例说如下面所示的零件，这是用于光学光板的夹具。

目标是找出哪种3D打印设置会产生一个符合或超过其安全系数要求的零件 — 同时尽量减少材料成本，因为将要制造250个这样的零件。

用于光学光板的3D打印夹具
© Markforged

这个零件必须能够在不发生故障的情况下承受最大负荷为400N。目标安全系数为1.5，考虑到负荷中的不确定性，有助于确保零件在使用中不会发生故障。

首先，用户可以使用模拟验证基准零件的性能 — 该零件使用Onyx的默认设置。最小安全系数为1.06，未达到1.5的要求。

© Markforged

默认100% Onyx设置进行仿真的结果是，最小安全系数为1.06，未达到1.5的目标。

为增加到最大的强度，用户可以在所有层上添加连续玻璃纤维，并采用各向同性的布线。在这次强度提升之后，仿真预测安全系数为2.74。尽管这个零件现在比默认零件强得多，但付出了代价 — 材料成本和打印时间也显著增加。

由于安全系数远远超过实际需要，有机会减少玻璃纤维的使用量 — 并显著降低材料成本。这就是纤维覆盖素描发挥作用的地方。

使用纤维覆盖素描，玻璃纤维仅添加到对零件效益最大的区域 — 即负荷承载区域（负荷和主要紧固件之间的区域）。经过纤维覆盖素描后，模拟显示预测的安全系数为1.58：这意味着这个零件在使用远少于默认情况下的玻璃纤维的情况下仍然超过了强度要求。

与在所有层中添加纤维的相同零件相比，每个仿真优化零件的成本减少了37%，3D打印时间降低了44%。这些储蓄会在每次打印作业中迅速累积。例如，对250个优化零件的生产运行将节省$1,197的材料成本和34天的打印时间。

© Markforged

将连续玻璃纤维放置在具有所有层纤维的零件中的位置（左侧）以及具有定义纤维的零件中的位置（右侧）：

© Markforged

 总结

Markforged 增材制造软件解决方案——Eiger的新纤维自定义功能通过提供更多对纤维放置的控制，降低了材料成本。这一新功能补充了仿真的好处。将它们结合使用可以快速轻松地获得性能验证的零件，而不会消耗过多时间和连续纤维。目前，Markforged 公司已为所有Eiger用户提供纤维覆盖素描功能。

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 FX10，定义高品质零件生产

FX10是Markforged的下一代工业复合材料3D打印机，是多年的工程创新和技术进步的结果。该设备借鉴了Markforged X7的成功经验，目的是在每次3D打印时提供强度高、精确的零部件。

FX10 3D打印机
© Markforged

FX10 3D打印机具有新的模块化架构，旨在实现可升级性，同时配备了3D打印头上的光学传感器，可以验证零部件的尺寸准确性，并评估设备的健康状况和性能。它采用自动校准和材料更换，提供了简单、低干预的用户体验，减少了对专门操作人员的需求。

敬请收看11月16日（本周四）14：00-15:00 由3D科学谷视频号与Markforged腾讯会议室直播间同步直播的线上研讨会，先人一步实现高强度塑料零件“制造自由”。

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在本届Formnext 展会中，Markforged 公司发布了三项新技术/产品，包括：复合材料3D打印新设备FX10，超高性能3D打印新材料Vega，以及工业零件按需制造平台Digital Source。

Markforged 在德国Formnext展揭秘新设备
（展位号：Hall 12 Booth C81）

 FX10，定义高品质零件生产

FX10是Markforged的下一代工业复合材料3D打印机，是多年的工程创新和技术进步的结果。该设备借鉴了Markforged X7的成功经验，目的是在每次3D打印时提供强度高、精确的零部件。

FX10 3D打印机
© Markforged

FX10 3D打印机具有新的模块化架构，旨在实现可升级性，同时配备了3D打印头上的光学传感器，可以验证零部件的尺寸准确性，并评估设备的健康状况和性能。它采用自动校准和材料更换，提供了简单、低干预的用户体验，减少了对专门操作人员的需求。

 面向航空航天制造的超高性能新材料

Vega是一款碳纤维填充的PEEK复合材料，属于超高性能3D打印材料，专为在Markforged FX20上进行3D打印航空航天零部件而设计，该材料也在Formnext 2023展会期间亮相。Vega是一种PEKK材料，结合Markforged的连续纤维增强技术，Vega可在部分领域替代金属铝和PEKK零件，实现减重应用。

Vega材料3D打印样件
© Markforged

PEKK是一种经过验证的航空航天零部件制造材料，具有出色的强度和刚度。Markforged最新发布的Vega 材料在以下领域具有应用潜力：

–航空航天

航空航天制造商（如波音、蓝色起源、湾流）和国防制造商（如通用原子公司、锡考斯基、通用动力），他们使用增材制造技术制造终端使用零部件和维护、修理和超过活动。这些飞机和宇宙飞船上的轻负载结构零件需要具有高强度和耐化学品性能，并且能在85°C以上的操作温度下使用，同时不能牺牲重量，也不希望为复杂性或独特性付出高昂的价格。目前，这些零部件通常由铝制成或通过PEEK机加工制造，导致交货时间较长，重量较重或价格较高。

–电动垂直起降（eVTOL）

eVTOL公司（如Supernal、Archer Aviation、Beta Technologies、Joby Aviation）希望进入低产量生产和初期产品测试阶段。

eVTOL行业正逐渐从原型制造转向低产量生产和认证测试阶段。他们面临与其他航空行业相同的严格要求。由于其初始生产目标、不断演化的飞行器设计和可定制性，会导致高混合、低产量的零部件需求。高温增材制造技术将成为解决其大多数塑料内部零部件和部分次要结构零件的解决方案。

–制造厂支持

制造企业（如General Plastics and Composites、Hermeus），需要用于在恶劣环境中使用的机器人末端执行器或装配夹具。

在制造过程中，许多末端执行器和夹具会受到高温或恶劣化学品的影响。传统上，这些零部件是使用铝制材料加工而成的，但重量、交货时间和设计自由度都是限制因素。要替代这些过程中的铝制夹持零件，增材制造零件需要具有广泛的耐化学性、低吸水率和碳纤维增强的高强度。

Formnext 2023展会 Markforged 展位

 Digital Source — 安全的数字仓库

Digital Source是一个按需制造平台，在需要的时间和需要的地点即点即印OEM批准的高品质3D打印零件。通过该平台所实现的企业安全数字仓库，将使企业减少实物库存而带来的成本压力。

© Markforged

Digital Source平台稳定的安全保障数字零件的文件，通过该平台，用户能够发送加密的指令直接连接到3D打印机，从而保护设计。

供应商将数字零件设计上传到来源目录，他们可以向客户、分销商和合同制造商出售3D打印参数。Digital Source的用户可以购买有认证的零件，或者可以访问来源网络验证过由OEM上传的3D打印零件设计。

Digital Source是Digital Forge的原生扩展，为3D打印部件提供一致、可靠的极简化生产工具。通过金属、聚合物和复合材料3D打印精确的功能零件，轻松为世界各地的企业提供服务。

Markforged开发并集成了其公司自有的材料、3D打印机和软件，从而实现端到端过程控制。制造用户可以灵活地现场制造零部件或无缝联系外包服务上。如果用户现场没有3D打印机，还可以直接从不断增长的3D打印服务商网络订购所需零部件。

通过Digital Source平台，制造业用户可以根据需求进行规模化生产。当零件需求超过本地3D打印机的产能时，可以通过该平台选择满足制造商打印工艺要求的3D打印服务商，将生产需求进行外包。而实现这一切，只需在Digital Source平台上一键点击。

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随着3D打印技术的成熟，制造商一直在努力融入碳纤维材料以提高零件的强度和耐用性。最常见的两种实现方式是短纤维填充材料3D打印和连续纤维3D打印。接下来，我们将结合Markforged 基于材料挤出工艺的连续碳纤维3D打印技术，从材料性能、主要优点以及如何合理优化连续碳纤维3D打印零件，几个方面进一步了解连续碳纤维3D打印。

碳纤维3D打印技术分类
© 3D科学谷白皮书

 基于材料挤出工艺的连续碳纤维3D打印

连续碳纤维是采用热塑性涂层的长碳纤维束。然后，使用连续纤维增强 (Continuous Fiber Reinforcement, CFR) 过程将这些纤维束铺设到热塑性 FFF 3D打印零件中。在此过程中，通过加热的喷嘴挤出材料，将热塑性涂层热熔合到零件上。在3D打印零件的每一层中，纤维可以按照各种2D方向放置。用连续碳纤维增强的零件其强度会提高，可与采用传统复合材料铺陈的方式制造的零件相媲美。

而在短纤维填充线材中，短纤维之间不连续的特性会导致压力通过基体材料传递，从而机械强度的相应提升并不明显。在CFR零件中，拉伸和弯曲负荷会施加到长纤维束上，对基体聚合物的负荷将降到最低，从而带来大量机械性能的提升。零件可以采用多种不同的方式进行增强，以针对不同的负荷条件进行优化。连续纤维增强技术不仅包括碳纤维，还包括连续玻璃纤维、Kevlar® 和高强度高温 Fiberglass 等材料。

 动态纤维含量

在使用连续纤维增强工艺时，用户可以通过两种方式动态控制零件中的纤维量：更改一层中的纤维量；以及指定要增强的层数。此控制使得工程师能够根据所需的强度精确地进行3D打印。

 主要优点

与短纤维填充线材所带来的递增式改进不同，连续纤维能够实现零件性能的跨越式改进。连续纤维的优点包括：

+能够媲美与铝合金相当的强度，连续碳纤维增强的3D打印件在实际应用中可以取代机加工的零件。

+增强的刚度、抗冲击性、耐热性和耐用性可以通过一系列特定连续纤维增强材料（包括 Kevlar 和 Fiberglass）来实现。

+连续纤维补充填充线材。例如，Markforged 在Onyx基体材料中使用短碳纤维来提高3D打印零件的精度和表面光滑度，使用连续碳纤维将强度和刚度提高了十倍。

 根据负载需求对纤维进行战略布置

与纤维填充线材不同，连续纤维增强复合材料的制造通过连续纤维增强的额外工艺来实现。CFR工艺使得用户可以在其零件中灵活地实现连续纤维；这样，用户可以更好地控制要添加到零件中的碳纤维量。虽然可以随意地使用连续纤维填充3D打印零件，但只有在根据负载需求对纤维进行战略布置后才能实现最好的效果。经过优化的零件可以使用较少的材料获得相同的预期效果，这样还可以缩短制造时间和减少制造成本。

在考虑使用连续纤维时，可控性是一项关键优势。该可控性可以通过两种关键方法来落实：

1. 确定是否在零件的每一层中放置连续纤维

2. 确定每个需要增强的打印层的增强策略

 零件常用的连续纤维技术示例

夹芯板

像传统的复合材料铺设部分一样，在顶部和底部添加连续纤维。在大多数弯曲负载条件下，零件表面的应力集中程度是最高的。夹芯板用于抵抗Z方向的力。

外壳

外壳与夹芯板相似，但在每一层的壁内使用连续纤维构成的闭环。为了进行外壳增强，将连续纤维放置在每层的外围，以抵抗沿 XY 平面的力。

条带

在零件关键区域采用添加了连续纤维“条带”的夹芯板。条带可在较高的夹芯板中使用，用于分散负荷，从而降低填充物屈曲的风险。

连续碳纤维是Markforged独有的超高强度材料，将其铺设到 Onyx 等复合基材上时，可以生产出强度与 6061-T6 铝合金相媲美的零件。它具有极高刚度和超高强度，可以采用 Markforged 3D 打印机自动铺设成各种几何形状。

Markforged 打造了可无缝协作硬件、软件和材料的增材制造平台The Digital Forge，旨在集成到制造用户现有的制造生态系统中，消除设计与功能性零件之间的障碍。

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连续纤维增强 (CFR) 是Markforged推出的一项创新技术和独特工艺，它正在快速推动现代制造商对碳纤维3D打印的采用。

本文将深入探讨如何通过功能性3D打印零件来实现业务转型。我们将审视CFR工艺相对于传统制造工艺所具有的优势，将这些优势与制造应用联系起来，并研究现代制造商如何利用CFR的优势。

 何为CFR

CFR是一种使3D打印机可以用连续纤维来强化熔丝加工 (FFF) 零件的工艺。具有CFR功能的设备使用双挤出系统：一个用于传统的FFF线材，另一个用于长股的连续纤维，逐层铺设连续纤维，替代FFF填充物。由此制作出的零件会显著提升强度(最高可达任何FFF材料的10倍)，并可替代应用中的铝制零件。

 碳纤维3D打印工艺优势

以更低成本制造出复杂的3D几何体

得益于能够自动生成机器指令的切片和打印工艺，3D打印机擅于制造复杂的几何体。在减材机器中，复杂度和成本之间呈指数关系：复杂的2D几何体需要2轴或3轴CNC铣床，而3D几何体则需要3至5轴CNC铣床。这些机器的编程和操作费用很高，这使得传统的制造设计 (DFM) 指南推崇使用复杂度较低的零件。如果零件是复杂的3D几何体并且需要很高的强度，只有CFR能够实现金属级强度。

高度可定制

CAD至零件的简单流程使CFR用户能够快速地更改设计来解决具体问题。在传统制造中，制造商面临的挑战是必须在低成本、通用型解决方案和非常昂贵的一次性零件之间作出选择。少量改变通常就会导致成本大幅上升，幸运的是，CFR 3D打印使用户能够轻松制造定制的一次性零件。

针对功能性零件的门槛低

许多3D打印技术实现了可定制性和复杂零件的低成本，CFR的与众不同之处在于，针对功能性零件它也能实现上述特点。与FFF 3D打印零件相比，CFR制造的零件具有相当大的优势和特性，其中包括：

• 零件更坚固
  CFR使您能够动态地将零件强度从塑料强度变成铝强度。这使用户能够设计所需强度的零件并对零件进行3D打印。
• 耐用性
  由于连续纤维具备高强度、高刚度和耐用性，CFR零件在应用中的使用寿命长于任何其他FFF 3D打印零件。此外，填充塑料也具有很高的耐磨性和韧性。

由于CFR 3D打印机能够制造功能性零件，这种打印机在以下几个关键方面使生产手段更符合工程师的要求：

• 无需等待报价
  当有需求的时候，制造商无需将零件图纸发出，等待第三方报价。
• 自动化制造过程
  由于3D打印机是完全自动化的，因此无需人工即可制造零件。
• 需求点零件
  3D打印机适应性强，价格适中，适合大多数企业投资。传统制造通常需要购买昂贵的机器，外包零件，并且还可能需要大量部署空间。
• 耐热和耐化学腐蚀
  CFR零件在大多数生产环境中都能抵抗环境热量，并且经过增强的短纤维填充线材具有极强的耐化学腐蚀性。

 CFR应用

前面我们了解CFR的部分优势，该技术在整个制造领域具有广泛的应用兼容性，下面我们来看一些CFR应用：

01 保形工具和夹具

现代制造商可以利用CFR零件的自由几何复杂性和高功能性，轻松地制造出可以在任何方向容纳复杂零件的夹具。

保形工具和夹具可以与CNC机床协同工作，例如，可以制造保形工具以使CNC机床能够执行原本无法完成的操作。此外，保形夹具所开创的新制造工作流程更经济、更简单且更省时。这样才能够生产更复杂的零件，而原本用制造工具生产这些零件的成本太高了。

此外，保形工具的性能通常高于标准工具的性能，这是因为它们与待夹持工件之间的表面接触更全面。它们要比所替代的零件更轻、更硬且更坚固。由于3D打印的成本较低，因此制造商可以为他们的零件制造各种各样的定制保形工具。

保形工具案例：

● 软钳口

用于在铣削、钻孔、切割或通过其他方式加工工件时夹持工件的保形工具。

● 末端工具 (EOAT)

组装接触面零件或末端执行器，例如机械臂上的定制夹具手指。

末端工具 (EOAT)

● 成型工具

CFR零件可以按定制几何形状进行设计和打印，从而制作钢和铝质的钣金零件。连续纤维使这些零件具有高强度和耐用性，从而可以精确地操作数千次循环。

成型工具

● 专用测型仪(又称检查仪表)

定制打印零件，旨在与制造的零件或装配件对接以快速确定它是否符合规格。

● CMM检查夹具

使用定制CMM夹具可以加快复杂零件的CMM设置并提高其可重复性。

02 人体工程学和效率工作辅助

CFR制造已广为普及，企业可使用此技术来打印过去通常难以制造的零件，这些零件可以提高效率，连接或集成其他零件或者帮助完成手动任务。此外，CFR零件可以针对不同的制造操作进行高度定制，并定期进行迭代以融合反馈。

装配夹具和底板

产品装配通常是一项高度依赖手动的任务，在此过程中，人体工程学方面的些许改进可以促使效率大幅提高。利用CFR 3D打印，企业能够设计和制造这样的零件：它们能够提高劳动力的工作效率，并减少重复性劳损 (RSI)。

装配夹具和底板

用于制造单元的零件

一旦有能力按需制造功能性零件，制造商便能快速构思、设计和实施用于制造单元和工厂的零件。无论这些零件是支架、传感器基架、导轨还是其他零件，都能减少与CNC制造零件相关的交货时间、成本和人力。

工作辅助

CFR 3D打印零件可将耗时的手动任务变成简单任务。对于一些公司来说，内部加工可能需要8-12周的时间，但有了CFR之后，时间可以缩短到几天。

03 迭代工具

CFR降低了制造功能性零件的门槛，这使现代制造商能够更轻松地迭代和生产以低成本提供更多价值的零件。

原型件

原型件是3D打印机的最常见用例，借助CFR，用户可以大幅提高原型件生产能力。利用功能性原型件，可以及早进行测试并获得更多信息，从而形成您的最终零件设计。

桥接工具

与原型件一样，工具在被锁定之前通常需要进行多次迭代和大量工作。CFR 3D打印的早期工具可以生产出初步零件，从而为制造商提供有价值的信息，帮助他们了解在大规模生产之前其制造过程的工作方式。

04 备用零件

许多关键零件不再得到原始制造商的支持，或者由于供应链限制而需要太长时间才能获得。制造商的另一个痛点是处理那些易碎且不符合所需标准的零件。CFR 3D打印提供了必要的技术手段和敏捷性，能够快速轻松地制造各种几何形状的功能性备用零件，要么作为备用件，要么作为对原始零件的改进。备用零件不限于单个应用，它们可以采用工具、夹具或最终用途零件的形式，延长设备的寿命，并实现持续改进。

无人机原型机

 功能性零件由什么组成？

根据定义，功能性是指零件满足其设计意图的能力。以下每项要求均是3D打印零件的常见功能性要求。我们已定义每项要求，包括短纤维填充聚合物和CFR如何满足要求，并重点介绍了哪种技术会产生更大的影响。Markforged零件采用了这两种技术， 并用连续纤维强化了短碳纤维填充的聚合物。

下面突出显示了每个功能性要求的主要驱动因素：

“功能性”不是制造领域的单一术语，不同的应用对功能性有不同的要求。下面，我们将3D打印需要满足的功能性要求与各种常见应用对应起来。我们将功能性要求分为关键和推荐，其中“关键”是指应用中几乎所有零件都有的要求，“推荐”是指不那么重要或不太通用的要求。请务必注意，即使在具体的应用中，功能性要求也有各种各样的内容，这一点应作为普遍规则。

 CFR显著优势

Markforged是第一家生产能够使用连续纤维强化零件的3D打印机公司，这将使复合材料零件具有高强度，足以取代机加工金属。如前所述，CFR的优势和好处挖掘出了各种应用的潜力，这些应用已帮助现代制造商实现业务转型。

Markforged精心打造的The Digital Forge是面向现代制造商的简便易用的增材制造平台，它将软件敏捷开发的强大威力和快捷速度融入工业制造。它由在统一平台上无缝协作的硬件、软件和材料组成，为特定用途构建，旨在集成到您现有的制造生态系统中，消除设计与功能性零件之间的障碍。采用The Digital Forge的企业可以直接获得的益处就是大幅节省制造零件所需的时间和资金。此平台可以让您的整个运营变得更加敏捷高效，从而提升您的竞争优势。

 总结

Markforged利用金属3D打印机和碳纤维3D打印机转变了制造工艺，能够生产出足够坚韧的零件用于工厂车间。全世界的工程师、设计师和制造业都依赖Markforged金属和复合3D打印机来生产工装、夹具、功能性原型和高价值的最终用途产品。

文章来源：华融普瑞

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当然复合材料的连续纤维3D打印从技术上分为不同种类，让我们先来大致了解下国外目前这个领域活跃的不同的技术：

乱花渐欲迷人眼的各种技术

 条条大路通罗马的技术

来源：compositesworld

l In-situ impregnation-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。

l Co-extrusion with towpreg-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。

l Towpreg extrusion-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。

l In-situ consolidation-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。

l Inline Impregnation-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。

另外丝束挤出通常被描述为熔融沉积（FDM），该术语由Stratasys注册了商标。

在3D打印行业中，为了避免与Stratasys注册的商标发生冲突，通常用熔融长丝制造（FFF）表示该工艺。不过连续长丝制造（CFF）则具体特指使用连续纤维增强进行3D打印。

此外，短纤维复合材料也不甘示弱，根据3D科学谷的市场观察，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室-LLNL的改进型直接墨水书写（DIW-也被称为robocasting）已经成功3D打印航天级碳纤维复合材料，成为第一个这样做的研究实验室。被描述为“终极材料”的碳纤维复合材料开辟了创造轻量化、强于钢件的可能。更多发展中的碳纤维打印技术，请参考《不仅仅是汽车，美国人玩3D打印的“大”趋势》

打印机品牌举例

 一体式

9T Labs：这是一家位于瑞士的公司，其开发的两步Red系列技术包括用于铺层的构建模块和用于整合碳纤维增强PEKK（聚醚酮酮）和PA12（聚酰胺）材料的Fusion熔化模块。9T Labs正在开发具有无限旋转功能的类似AFP工艺加工的复合材料制备工艺，并与法国一家先进的金属零件制造商Setforge建立了合作，证明了其生产相对大量高性能零件的潜力。

Anisoprint：这家公司开发了双喷嘴复合纤维共挤出（CFC）技术，通过使用一个喷嘴进行FFF成型，将一个喷嘴进行碳或玄武岩丝料共挤出，可加工的材料从一系列PLA（聚乳酸）热塑性塑料到PEEK（聚醚醚酮）。更多信息，请参考3D科学谷之前发布的《连续碳纤维复合材料3D打印在智能自感应零件中的应用潜力》

Desktop Metal: 通过机器人工具更换器在FFF和μAFP（微型AFP）沉积头之间切换。其LT型号可以打印碳（CF）或玻璃纤维（GF）以及尼龙PA6，而其HT型号可以打印PEEK和PEKK，该公司同时生产台式和工业3D打印机。更多信息，请参考3D科学谷之前发布的《探索独角兽金属3D打印公司Desktop Metal的趋势逻辑》

APS Tech Solutions：这是一家来自奥地利的公司，是一种CFF工艺，具有集成的在线切割机和带有四个打印头的自动更换系统。可用于加工多种材料，包括PLA，ABS，PEEK和用于烧结应用的金属/陶瓷。

Markforged：这家公司开发了twin-n喷嘴连续纤维增强（CFR）技术通过使用CFR喷嘴将连续CF碳纤维，GF玻璃纤维或AF和PA增强到零部件中，该公司同时生产台式和工业3D打印机。更多信息，请参考3D科学谷之前发布的《投资界的碳纤维风》

Impossible Objects: 这家公司的CBAM技术类似于熔融沉积成型（FDM）技术，但是，与FDM直接在一个空的打印床上层积材料不同，该技术在一种纤维板上打印。通过这种打印工艺中，打印机的喷头将聚合物粉末堆叠起来，并用内置热源把它们融合在一起。最后，由一名技术人员将不需要的材料移除，打印过程就完成了。CBAM 打印过程中可以使用多种类型的聚合物粉末，从而产生不同的复合材料。更多信息，请参考3D科学谷之前发布的《高强度塑料3D打印设备Impossible Objects首批用户包括捷普》

 机器人/单元混合动力

Arevo：这是家来自美国加利福尼亚州的公司，Arevo Labs通过可扩展的以机器人为基础的增材制造RAM（Robot-Based Additive Manufacturing）设备用来打印复合材料。3D科学谷曾介绍过该平台由一个市售的机械臂，复合沉积端执行器和一个全面的软件套件。目前软件是专门针对ABB IRB 120六轴机器人，但可扩展的软件也可以支持更大的ABB机器人型号和尺寸。此外，Arevo Labs不仅提供碳纤维工业级3D打印机，还提供3D打印的新型碳纤维和碳纳米管（CNT）增强型高性能材料，而且使用其专有的3D打印技术和专用软件算法可以使用市场上现有的长丝融熔3D打印机制造产品级的超强聚合物零部件。

CEAD：这是一家来自荷兰的连续纤维增材制造（CFAM）技术提供商，其Prime单元是基于龙门的，而其AM Flexbot是基于机器人的。两者都将颗粒挤压与单向（UD）胶带结合在一起。该公司最近与Royal HaskoningDHV和DSM一起打印了GF / PET材料的桥，其中使用了短切纤维和连续纤维，CEAD计划很快推出更大版本的系统。

Mantis Composites：来自美国加利福尼亚州的公司，通过FFF工艺和五轴机床，可对太空和飞机应用中的复杂零件进行3D打印。尽管材料因客户和零件要求而异，但它主要使用碳纤维和高性能热塑性塑料（例如PEEK）。

 机器人3D打印

Continuous Composites：来自美国爱达荷州的连续纤维3D打印（CF3D）系统在打印头中用液态热固性树脂原位浸渍连续干纤维，排出湿丝束，湿丝束在速熔聚合之前被固化通过高强度的固化源。连续复合材料自美国于2014年推出首台连续纤维3D打印机，使用各种干式连续纤维（包括电线和光纤）以及与阿科玛及其Sartomer子公司合作开发的速凝树脂。根据3D科学谷的市场观察，全球复合材料领域顶级展会JEC组委会曾将2019年度增材制造（3D打印）创新大奖授予美国连续复合材料公司、空军研究实验室、洛克希德·马丁公司。以来，据悉该技术有潜力重塑现有复合材料无人机、低成本复合材料航空结构的生产模式。

Electroimpact：专注于研究超轻碳纤维材料打印塑形技术和大型设备。Electroimpact为包括土耳其航空航天公司（TAI）和中国西飞（西安飞机工业集团）生产设计过 E7000 机身铆钉枪，其中2014年五月份交付西飞的设备主要用于中国支线飞机 ARJ21 的机身铆钉和螺栓的安装。

Ingersoll：基于英格索尔在龙门式铣床方面的技术，英格索尔的MasterPrint设备将不仅仅用于增材制造。该设备可以自动切换熔融挤出头至5轴铣削头，通过铣削加工来进行3D 打印加工的后处理工作。这是CNC机加工经验与自动纤维放置AFP（automated fiber placement）技术的结合。英格索尔在2018年IMTS芝加哥展会期间退出了一台打印机，可谓是高速大型增材制造设备WHAM的代表（WHAM是Wide and High Additive Manufacturing的简写)。其庞大的龙门式生产工作区域可以一次性打印7mx3mx14m尺寸大小的对象。

来源：3D科学谷（www.3dsciencevalley.com)

moi复合材料：这是来自意大利的连续纤维制造（CFM）技术，将在线浸渍或丝束挤出技术用于多种连续纤维和热固性树脂的组合3D打印。迄今为止，目前这家公司最大的3D打印产品是6.5 x 2.5米的MAMBO（增材制造船体）。

Orbital Composites：轨道复合材料这家公司的ORB 1系统可以使用原位浸渍和FFF喷嘴处理PA，PEI，PPS，PEEK，CF（3K至100K丝束）-碳纤维，GF-玻璃纤维，金属增强的热固性塑料电线和光纤。其模块化平台易于扩展，并且正在开发多个更大的系统。空间在轨制造方面，轨道复合材料这家公司开发了由并联机器人、模块化同轴挤出末端执行器构成的3D打印设备，可适应多种复合材料，包括热固性／热塑性塑料和碳化硅等塑料、陶瓷，还能够复合打印金属和其他导电材料到复合材料中，包括铜丝、铝丝、纳米材料、导电油墨等。

 面向生产

当然，以上是部分的复合材料3D打印企业介绍，根据3D科学谷的市场观察，这个领域正在涌现更多的企业。这其中典型的包括来自美国加州的企业Arris Composites，这家公司在疫情期间获得了4850万美金（约人民币3.4亿）的B轮融资，其目的是实现下一代大众市场的连续纤维复合材料3D打印生产级应用。

还有一家是总部位于瑞士卢森堡，研发位于莫斯科的Anisoprint，这家公司开发了国际领先的连续纤维3D打印技术，包括桌面级和工业级3D打印机、连续纤维（碳纤维和玄武岩纤维）打印材料和聚合物打印材料、以及专有设计优化软件（Aura），以制造最佳的复合材料。

Anisoprint的技术基于复合材料的单向性，开发的复合纤维共挤（CFC）技术允许将价格低廉的设备与生产具有优异机械性能的结构元件的能力结合起来，将不同的热塑性聚合物可以用连续纤维增强，在单阶段全自动过程中进行固结和固化，而无需后期处理或加工。两基质（热固性+热塑性）方法可确保低孔隙率，纤维与聚合物的良好粘合性以及出色的机械性能。CFC增强复合材料比FDM/塑料强30倍，比铝强2倍、轻2倍，比钢轻7倍，允许生产具有多种特性的复杂形状。

在国内，根据环球时报，2020年5月5日, 长征五号B（以下简称“长五B”）遥一运载火箭在海南文昌航天发射场将我国新一代载人飞船试验船成功送入预定轨道。试验船上搭载了一台我国自主研制的“复合材料空间3D打印系统”，科研人员将这台“3D打印机”安装在了试验船返回舱之中，飞行期间该系统自主完成了连续纤维增强复合材料的样件打印，并验证了微重力环境下复合材料3D打印的科学实验目标。

复合材料的3D打印在2020年已经验证其发展三大趋势。一是我们将继续看到流程和系统的工业化，硬件与软件发展的结合将更加支持大批量生产。二是对系统进行更多的传感控制，以实现实时过程控制-热，尺寸和光学传感可提高过程公差。三是用于提高3D打印操作效率的新软件（例如，预处理工作流程，作业管理等）更加成熟，从而更深入的用于多材料零件的新设计和仿真。

正如3D科学谷在《3D打印发展趋势及中国市场的机遇与挑战》白皮书中所谈到的，复合材料的加工以快速、可靠、低成本的发展趋势，正在成为一种主流制造技术。

总体来说，根据3D科学谷的市场观察，连续纤维3D打印已经成为一种不可小觑的3D打印新势力，下一步是发现更多的市场应用点，一点带面，开启该技术改变制造格局的新篇章。更多分析，请参考3D科学谷发表的《全面剖析2020年复合材料3D打印强势增长趋势》

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2016年Markforged 公司推出了基于材料挤出工艺的金属3D打印设备，不过这项技术用于打印金属丝材的时候有一个业界公认的痛点那就是变形与收缩的控制挑战。Markforged 针对这一痛点进行了研发投入。根据3D科学谷的市场观察，Markforged 在年底前将要推出的人工智能软件-Blacksmith，是该公司在变形与收缩的控制领域所取得的新成果。本期，3D科学谷就与谷友共同了解一下这款软件所起到的作用。

“Blacksmith”软件试图通过将其打印机连接到计量设备（此处用来扫描12毫米扳手）来了解和纠正在烧结过程中经常发生的零件几何形状变化。

 由算法驱动复杂迭代过程

 纠正烧结中发生的几何形状变化

Markforged 的“Blacksmith”软件为自适应制造的人工智能驱动软件解决方案，该过程需要适应影响零件的设计、打印和后处理每个步骤中存在的多个变量，这些变量都会影响3D打印。

“Blacksmith”软件通过将Markforged的3D打印机连接到计量设备（如上图，扫描的是12毫米的扳手）来了解和纠正在烧结过程中经常发生的零件几何形状变化。

当3D扫描将数据点映射到零件的原始CAD或STL文件时，两者之间的偏差通常需要返回到原始文件进行调整。如果这项工作由人工来完成，则是一项耗时且不精确的方式。而“Blacksmith”软件的方式是在人工智能算法、设计工具和3D扫描数据之间建立循环，随着时间和打印量的增加，将增强公司整个打印机的基础能力。也就是说，凭借人工智能强大的学习能力，当同样的零件或类似几何形状的零件被打印上百次后，一次打印就成功的可能性会更高。

当3D打印设备出现偏差或者整个过程中出现变量，系统可以发出警告或实时进行自我纠正。Markforged 3D打印机使用连接到每台机器的打印头的激光扫描仪来同时创建和检查零件，然后将数据反馈到云中。随着越来越多的计算机将反馈共享到云中，这些数据将使自校正功能变得更快更准。

软件中使用了预失真几何的算法，考虑了预期的变形并抵消了变形，以产生预期的零件。

 学习零件基本几何形状

Markforged 的金属3D打印技术为一种间接金属增材制造工艺，即首先3D打印零件的生胚，生胚制造材料为一种将金属颗粒与塑料基质混合在一起的金属丝。打印完成后，零件被放入溶剂中，除去第一阶段的粘结材料，然后再放入烧结炉将残留粘结材料烧掉，并将金属颗粒融合在一起。从最初的设计文件到最终的金属零件，这一过程中零件有很多机会因变形而偏离其原始设计。材料、加工温度和大气成分以复杂的方式相互作用，Markforged试图对此进行理解和控制。

“Blacksmith”软件将设计文件上传到云中进行切片，然后，系统将文件发送到由一组连接的3D打印机共享的反馈循环中，随着时间的推移提高每台机器的零件精度。总体来说，该软件是Markforged 公司努力理解和控制其基于材料挤出工艺的间接金属增材制造端到端过程的结果。

在以上扳手的案例中，扫描零件时，扳手孔的直径可以完美地插入，但是可能会有一些轻微的变形，软件可以识别这些特征，将它们与点云进行比较，并识别出任何差异。将生胚零件从烧结炉中取出后，用户可以扫描这些零件的几何形状，并将其发送回“Blacksmith”软件，并在输入文件和点云之间，比较扫描产生的结果。该软件的目的是确定3D打印或烧结过程的哪些方面可能导致变形，然后创建一个纠正这些变形的新模型。

“Blacksmith”软件的成功将取决于其学习基本零件几何形状的能力。在这一软件的逻辑中，每种设计都是几何成分的非线性组合。还是以扳手为例，网格文件未描绘扳手，而是描绘了在较大几何图中彼此相对定位的一系列孔、边、角和形状。例如，一个简单的零件由一个圆柱体和一个立方体组成，它们组合成一个新的形状。“Blacksmith”软件正在学习打印立方体的含义，打印圆柱体的含义以及这些形状在上下文中的含义。总之，其目标是是利用从这些几何学中学到的一切，使零件以及类似零件在首次打印时就获得成功。

 3D科学谷Review

Markforged 针对间接金属3D打印工艺中存在的变形与收缩挑战所提出的解决方案不仅仅是软件。根据3D科学谷的市场研究，Markforged申请了专利，通过将粘结剂、陶瓷材料作为分离层与支撑层一起打印完成，使得金属3D打印所获得的生坯具有更好的防止变形与热收缩控制能力。有关这一控制方式的研究请前往《减少3D打印后烧结变形， 看陶瓷材料如何应用于挤出式金属打印》。

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金属3D打印技术能够制造复杂的功能集成零部件，这一优势在铜金属制造领域也同样能够得到体现，比如说在铜电感线圈制造领域，金属3D打印技术就可以用于替代传统制造工艺，直接制造复杂电感线圈, 避免对于组装的需求和因焊接带来的不足。关于铜的3D打印技术呈现出越来越经济多样的发展态势，根据3D科学谷之前介绍过Markforged推出了其金属X打印机适用的最新材料-铜，本期3D科学谷与谷友进一步来了解Markforged解决方案的几大特点。

经济便利的铜3D打印。来源：Markforged

 更轻松更快捷

Markforged推出了其金属X打印机适用的铜打印解决方案使得3D打印纯铜变得非常简单，借助Markforged Metal X系统，用户可以轻松制造具有高导电率和导热率的复杂零件，而这些零件以前是昂贵、费时或无法制造的。

根据3D科学谷的市场观察，Markforged铜材料含大于99.8％的纯铜，具有出色的导热性和导电性以及高延展性。可在需要导热或导电的地方使用Markforged铜，替代传统制造工艺太昂贵或无法实现复杂形状的挑战。

经济便利的铜3D打印。来源：Markforged

Markforged推出的铜材料带来的打印的便利性如下：

一个平台

使用Markforged铜材料进行3D打印与其他材料打印是一样的过程，在Metal X系统上使用现有的硬件和软件系统进行打印工作。在基于云的切片软件Eiger的材料下拉菜单中选择“铜”，然后立即开始打印，目前在Metal X上切换材料大约需要10分钟。

易于打印

Metal X利用熔丝制造（FFF）技术，使得3D打印铜变得简单。铜金属粉末与粘结剂混合加工成长丝，3D打印完成后，用户清洗零件脱蜡，然后将零件装入熔炉中，熔炉去除残留的粘结剂，然后将粉末烧结成最终的全金属零件。

经济便利的铜3D打印。来源：Markforged

应用领域

从散热器到定制的焊柄，Markforged的用户现在可以重新发明制造铜组件的方式。用户甚至正在尝试使用具有复杂内部冷却通道的打印部件。消除铜焊或焊接组件，以降低成本，提高一致性并消除制造中的薄弱环节。

 3D科学谷Review

由于铜的导热性和反射性极佳，这使得铜金属在3D打印机内部难以操作。虽然当前选择性激光熔化（SLM）3D打印技术可以用于制造铜金属粉末材料。但是铜金属在激光熔化的过程中，吸收率低，激光难以持续熔化铜金属粉末，从而导致成形效率低，冶金质量难以控制等问题。此外，铜的高延展性给去除多余粉末这样的后处理工作增加了难度。

之前，Fraunhofer ILT推出了绿色激光器解决方案，与1μm波长的波长相比更短，波长在515nm。这意味着更少的激光功率输出，此外，激光束可以更精确地聚焦，使其能够使用新的SLM工艺制造更加精细的部件。

不过Markforged公司的铜3D打印工艺与Fraunhofer ILT推出了绿色激光器解决方案并不相同，与粉末床选区激光熔化金属3D打印工艺相区别，Markforged使用的是挤出式的3D打印技术，通过解决以前无法解决的挑战，来降低汽车生产制造成本，同时提高电动汽车电机的效率。

根据3D科学谷的市场观察，在电动汽车方面，铜的3D打印也具有一定的应用潜力。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。电力驱动子系统由电控单元、控制器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成。主能源子系统由主能源、能量管理系统和充电系统构成。辅助控制子系统具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能。

更多关于铜的3D打印应用与发展，敬请关注3D科学谷发布的《铜金属3D打印白皮书》

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