碳纖維幾乎是強(qiáng)度和耐用性的代名詞。從一級(jí)方程式賽車車身面板到高端自行車車架和專業(yè)網(wǎng)球拍，用碳纖維制成的產(chǎn)品重量輕且堅(jiān)固。在3D打印材料中，您會(huì)發(fā)現(xiàn)碳纖維被注入各種塑料中，包括ABS、聚碳酸酯以及最常見的尼龍，以提高該基礎(chǔ)材料的強(qiáng)度。

人們普遍認(rèn)為這些纖維也會(huì)使您的PLA零件變得更堅(jiān)固。然而，在PLA等相對(duì)較弱的材料中注入碳纖維實(shí)際上是一種噱頭，可以使PLA的價(jià)格翻倍并給人一種強(qiáng)度的錯(cuò)覺，還是它實(shí)際上有一個(gè)獨(dú)特的目的？

在本文中，魔猴網(wǎng)將碳纖維PLA與常規(guī)PLA和其他碳纖維注入聚合物的機(jī)械性能進(jìn)行比較。我們還探討了使用注入碳纖維的PLA進(jìn)行3D打印是否有任何具體優(yōu)勢(shì)。

PLA及其替代品的機(jī)械性能比較

產(chǎn)品圖片暗示了預(yù)期用途。左圖為Bambu Lab的PLA-CF。右圖為Prusa Research的Prusament PA11（尼龍）碳纖維

PLA（聚乳酸）就像面包，有數(shù)百種不同的配方，以不同的方式生產(chǎn)不同類型的產(chǎn)品，但它還是面包。PLA配方可以進(jìn)行調(diào)整，以產(chǎn)生具有各種（但不是完全不同）機(jī)械性能的最終結(jié)果。

某些等級(jí)的PLA被設(shè)計(jì)為耐熱，其他等級(jí)被設(shè)計(jì)為更耐沖擊，有些還含有添加劑以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電或在打印時(shí)最大程度地減少氣味。

考慮到這一點(diǎn)，我們將同一家材料制造商生產(chǎn)的PLA和CF-PLA進(jìn)行了比較。如下圖所示，在PLA中添加碳纖維可使拉伸強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度略有提高，但僅限于XY方向。沿著層線，拉伸強(qiáng)度較低，這可能表明碳減少了層粘合。碳纖維PLA的沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率（或柔韌性）也較低，并且比普通PLA更硬。

因此，總的來說，如果您正在尋找更強(qiáng)版本的PLA，這不是正確的選擇。

如果您希望獲得雙倍的拉伸沖擊強(qiáng)度，您可以選擇“高級(jí)”或“專業(yè)”PLA配方之一，或者簡(jiǎn)單地選擇不同的塑料，例如選擇PETG以獲得拉伸強(qiáng)度或選擇ABS以獲得沖擊強(qiáng)度。

為什么使用碳纖維PLA進(jìn)行3D打印？

在高溫尼龍中添加碳纖維可以在CF-PAHT中的Bambu Lab X1E 3D打印機(jī)上更輕松、更準(zhǔn)確地打印大型零件，例如此模型（來源：All3DP）

那么，如果在PLA中添加碳纖維幾乎沒有帶來機(jī)械性能方面的好處，那還有什么意義呢？

我們向一些聚合物專家尋求答案。

線材制造商PolyMaker的Luke Taylor說：“你的想法是對(duì)的，在大多數(shù)情況下，碳纖維被添加到聚合物中是為了增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛度，因此從堅(jiān)固的基礎(chǔ)材料開始是一個(gè)顯而易見的選擇，因?yàn)槟阏谠鰪?qiáng)本來就很堅(jiān)固的材料的性能。”

不過，在PolyMaker看來，在PLA中添加碳纖維主要是出于美觀的原因，而不是機(jī)械方面的原因。

“啞光黑色表面處理PLA-CF是一種獨(dú)特的處理，能夠完全隱藏0.2毫米層高的層線，因?yàn)楸砻婕y理會(huì)吸收光線，”Taylor說道。

PolyMaker的CF-PLA與許多其他材料一樣，使用銑削或磨碎的碳纖維，而不是典型CF-尼龍材料中的短切碳纖維。“我們選擇研磨纖維而不是短切纖維，是因?yàn)樗谋砻婀鉂嵍忍匦?。?/span>

PETG的強(qiáng)度幾乎達(dá)到了極限（來源：3DXTech）

碳纖維為PLA部件提供的獨(dú)特啞光效果增強(qiáng)了PLA外觀和紋理的精致度。它還能更好地隱藏缺陷，從而減少后期處理時(shí)間，并為剛從打印床上取下的原型和產(chǎn)品提供更“完美”的外觀。但這并不是使用這種材料進(jìn)行打印的唯一原因。

“CF-PLA的主要優(yōu)勢(shì)是提高了打印性能，”打印機(jī)和材料經(jīng)銷MatterHackers的副總裁Dave Gaylord說道，該公司也提供自己的材料?！霸赑LA中添加碳纖維可以進(jìn)一步減少翹曲等問題，這使得打印大型或復(fù)雜部件變得更加容易，而無需加熱床或外殼?！睂?duì)于ABS等材料，通常需要通過外殼、加熱床和更熱的噴嘴進(jìn)行額外的加熱。

Taylor表示，由于低翹曲和低收縮，PLA已經(jīng)是最“可打印”的聚合物，但碳纖維通過降低熱膨脹系數(shù)(CTE)有助于進(jìn)一步減少這些影響。CTE是指材料在溫度變化時(shí)膨脹或收縮的程度。低CTE對(duì)于確保3D打印零件的尺寸精度和穩(wěn)定性至關(guān)重要。PLA的CTE約為8.5*，ASA更高，約為11，而經(jīng)常注入碳纖維的尼龍甚至更高，為15。

因此，盡管塑料中強(qiáng)度第二高的聚合物可能是ABS，但在打印的簡(jiǎn)易性方面還是有所欠缺。

“在將PLA與ABS進(jìn)行比較時(shí)，需要注意的是，ABS的打印難度較大，因此注入碳纖維的PLA能夠在強(qiáng)度和易于打印之間實(shí)現(xiàn)良好平衡，并可在大多數(shù)桌面3D打印機(jī)上廣泛使用，”Gaylord說道。

如果您的3D打印機(jī)沒有額外的加熱功能，您的聚合物選擇可能會(huì)受到限制，但請(qǐng)記住，任何含有碳纖維（研磨或切碎形式）的材料都需要硬化鋼噴嘴。

碳纖維PLA與其他碳纖維復(fù)合材料

Markforged的Onyx短切碳纖維填充PA長(zhǎng)絲線軸（來源：All3DP）

到目前為止，我們發(fā)現(xiàn)碳纖維對(duì)于提高PLA的強(qiáng)度作用不大，不應(yīng)被視為碳纖維尼龍的低成本版本。

CF尼龍的強(qiáng)度重量比自成一類。它是功能原型、高性能工程應(yīng)用、車間工具、工廠夾具和固定裝置、車身原型等的首選材料。盡管尼龍是碳纖維最流行的聚合物基材，但它并不是唯一的材料。根據(jù)您的需要，您可以找到PET、TPU和ABS中的碳纖維。在這些材料中，碳纖維確實(shí)發(fā)揮了作為增強(qiáng)劑的魔力。

編譯整理：ALL3DP