关键词： 热塑性复合材料 连续纤维 3D打印 碳纤维自行车
一、连续纤维增强热塑性复合材料（CFT）3D打印在碳纤维自行车中的应用
长期以来，碳纤维自行车制造工艺面临着诸多挑战，如手动铺放车架导致的人工成本高昂，以及预浸料切割、铺层、热压等工艺生产时所遇到的成型困难、拼接薄弱、易分层和工时过长等问题。且由于传统制造工艺的限制，复合材料依然无法应用于一些具有复杂构型的结构。近年来，3D打印技术的快速发展有望实现复杂几何形状复合材料结构的有效制造，从而进一步拓展复合材料的应用范围。与传统的碳纤维制品很不一样，这个碳纤维自行车制造技术是将高分子尼龙粉末材料与连续碳纤维材料复合，再3D打印成最终零件，使零件获得强的性能，有着广泛的应用前景和市场潜力。
图1 3D打印自行车
二、传统的碳纤维自行车制造工艺
1.使用5000到12000根碳纤维原丝，每根只有5至7微米细，它们合成一个丝束，就是我们所说的碳纱。品质越高，碳纤原丝越细。
2.将碳纱编织在一起并与树脂混合，形成预浸碳布，它混合35%的树脂和65%的碳纤维。
3.预浸碳布都是单向的，因此所有碳纤维都是排列成一个方向。碳布依据车架设计被精确切割以减少浪费。
4.使用EPS内模处理并覆盖乳胶，除了气嘴（在后叉的顶部）被完全密封。以前成型用的是气袋，存在碳布折叠，内部粗糙等问题。使用EPS内模可以得到很光滑的内表面，而且弯角处也不会出现折叠和无法压实的问题。
5.将预浸碳布围绕在EPS上预成型，需要覆盖5-6层碳布，通过变化角度来增加强度和刚性，一个车架要使用数百片碳布。
6.当所有碳布都贴上去，将预成型的车架放到钢模具中，加热到130°C，使用12bar气压进行加压，维持40分钟，固化成碳纤维车架。
7.这个步骤是把EPS/乳胶从碳纤部件中抽出来，留下光滑的内表面没有任何波纹，一些关键部位的公差需要通过机器打磨实现
8.一般车架的前三角，后叉是分开成型的，接合部分在预成型时就留有公母阶，它们能无缝的连接在一起，通过胶水并包裹碳纱固定成型。
9.通过品质测试，进行表面处理，喷漆，经过24小时，车架准备好送去装配。
图2 传统的碳纤维自行车制造流程
三、续纤维增强热塑性复合材料（CFT）3D打印的优势
1.刚性重量比更好
通过使用的连续碳纤维3D打印技术进行车架整体的生产，这意味着不需要将不同的碳纤维组件固定在一起所需的螺丝、胶水、焊接工艺等。如此以来，该车架比传统碳车架坚固许多倍，更耐冲击。无论是专业的骑手还是业余爱好者，这一点优势都是一个福音，车身质量的降低，意味着骑行更加省力。
图3 拼接与一体成型的区别
2.加工过程不发生化学变化，成型周期短
热固性复合材料的加工过程是树脂基体在固化剂的作用下，由线形的分子结构聚合物为体形分子结构的过程，这需要较长的时间。而热塑性复合材料的加工过程为加热熔融变形和冷却定型，是物理变化过程；由于上述过程不发生化学反应，因此，成型周期非常短。例如：常见的模压成型周期为几十秒至几分钟，成型速度非常快。
3.实现复杂几何形状的制造
与传统的碳纤维制品很不一样。这个碳纤维自行车制造技术是将高分子尼龙粉末材料与连续碳纤维复合，再3D打印成最终零件，使零件获得强的性能，有着广泛的应用前景和市场潜力。由于传统制造工艺的限制，复合材料依然无法应用于一些具有复杂构型的结构，通过与3D打印技术的结合，实现复杂几何形状复合材料结构的有效制造，从而进一步拓展复合材料的应用范围。
图4 复杂几何形状的自行车
参考文献：
野途网：https://www.wildto.com/news/50727.html
南极熊3D打印：https://mp.weixin.qq.com/s/bpT13lcwQaK3bDI621aBVw
