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Dec 2025
探索纖維長度、形狀和分佈如何影響材料的機械性能
積層製造改變了工程師設計和生產高性能零件的方式。而碳纖維材料的問世，進一步提升了這項優勢。碳纖維能夠增強基材的強度和熱穩定性，使其成為高性能材料配方中不可或缺的添加料。
然而，添加纖維不僅僅是增強材料本身。碳纖維增強材料的幾何形狀，例如纖維長度、長徑比和分佈，也對最終零件的性能產生至關重要的影響。這些幾何變數決定了纖維與聚合物基體的相互作用方式，影響列印過程中的流動行為，並最終影響零件後處理所達到的強度。
3DXTECH 是這一領域的領導製造商，這是位於美國密西根州的先進材料製造商，擁有豐富的碳纖維增強材料產品組合，提供高性能材料，包括PEEK、PEKK和Ultem，以及根據特定專案需求量身客製的材料配方。
為了全面了解增強幾何形狀體如何影響零件性能，我們首先需要了解積層製造中常用的兩種主要碳纖維填料：短切碳纖維 (Chopped) 和研磨碳纖維 (Milled)。它們各自具有獨特的特性、製造流程和應用。
短切碳纖維是由連續的碳纖維絲切割分段而組成的，長度通常為幾毫米到幾厘米。這些纖維被整合到PLA、ABS或尼龍等熱塑性塑膠中，以增強其機械性能。短切碳纖維即使在高溫下也具有優異的機械強度，因此是高性能應用的理想選擇。它的低線性熱膨脹係數確保了在熱應力下的尺寸穩定性，它的低吸濕性亦適用於惡劣環境。
製造短切碳纖維的製程首先使用聚丙烯腈（PAN）或瀝青，這兩種材料廣泛用於製造碳纖維。下一步稱為碳化，即將材料在無氧環境中暴露於高溫下。碳化完成後，使用專用旋轉切割機將纖維切割成精確的長度。 然後，將這些短纖維與熱塑性樹脂（例如聚碳酸酯或尼龍）複合，製成適用於熔融沈積成型（FDM）或熔融沈積成型（FFF）3D列印的材料。複合過程確保纖維分佈均勻，這對於獲得穩定的機械性能非常重要。
由於其極高的強度重量比，短切碳纖維被廣泛應用於航太領域的支架和結構件，以及汽車領域的輕量化零件。它能夠承受高溫和化學腐蝕，亦成為石油天然氣或國防等嚴苛環境的理想材料。
研磨碳纖維是由研磨的碳顆粒所組成的，長度通常小於1毫米。與短切纖維不同之處是研磨纖維呈粉末狀，在尺寸穩定性和耐磨性方面具有獨特的優勢。它們還具有優異的耐化學腐蝕性，能夠抵抗包括汽車潤滑油和鹵代烴在內的多種化學品，因此非常適合用於精密零件。
研磨碳纖維是透過錘磨或球磨工藝研磨連續碳纖維而製成的。 所得的細顆粒隨後與樹脂基體混合，製成複合材料。此工藝可提高線材的均勻性，從而改善列印性能和表面光滑度。
研磨碳纖維常用於對精度和表面光滑度要求較高的應用領域，例如航太零件和電子設備外殼件，對於公差要求極高的零件應用，此種材料通常是首要選擇。
短切碳纖維和研磨碳纖維之間的差異會顯著影響3D列印零件的性能。以下詳細比較了它們的關鍵特性，以幫助我們評估哪種增強材料更適合不同的專案和應用需求。
| 特性 | 短切碳纖維 | 研磨碳纖維 |
|---|---|---|
| 抗拉強度 | 高 | 適中 |
| 尺寸精度 | 適中 | 高 |
| 彎曲強度 | 高 | 適中 |
| 表面光滑度 | 粗糙 | 光滑 |
| 長寬比 | 高 | 低 |
| 適印性 | 適中 | 非常好 |
| 形狀 | 長棒狀 | 細粉 |
| 導熱係數 | 高 | 適中 |
| 吸濕性 | 低 | 非常低 |
如果您要列印支架或結構承載零件，且對剛度和高溫強度要求極高，那麼短切碳纖維是更好的選擇。如果您要設計電子外殼或模具嵌件，且對公差要求嚴格、表面光滑度高、尺寸可靠性強，那麼研磨碳纖維則是更佳之選。
為了展示加了碳纖的料如何影響材料性能，我們將比較 3DXTECH 的兩款 PC 線材：3DXMAX PC 與 CarbonX PC+CF。雖然兩者皆為 PC 基礎的料，但 CarbonX PC+CF 中添加的碳纖維大幅改變了材料的整體表現。
3DXMAX PC 是一款以 SABIC 的 Lexan 樹脂製成的高性能 PC 線材。它專為高溫應用設計，具備卓越的機械強度、耐熱性，以及優異的表面品質，適合列印精細且高品質的零件。此線材適用於配備加熱列印台與加熱腔室的 FDM/FFF 3D 列印機，可在 280–310°C 的噴頭溫度下穩定列印。其玻璃轉換溫度高達 147°C，確保優異的熱穩定性。它的非結晶結構可在至少 90°C 的腔室環境中列印時降低接近等向性的收縮，有助於複雜幾何形狀的尺寸精準度。此外，它也以高延展性、高抗衝擊性與幾乎無氣味的列印過程而受大家喜愛。
CarbonX PC+CF 是由碳纖維強化 PC 製成的高性能 3D 列印線材。添加短切碳纖維後，材料的剛性、尺寸穩定性與強度皆有顯著提升。其非結晶結構可將收縮率降至最低，並在複雜零件中維持接近等向性的機械性能。此材料的列印溫度範圍為 280–310°C，需要加熱平台與加熱腔室。其玻璃轉移溫度為 127°C，屬於 3D 列印材料中熱性能最高等級之一。由於含有磨耗性的碳纖維，建議使用 至少 0.4 mm 的硬化鋼噴嘴。儘管性能強大，其列印時幾乎無氣味，非常適合追求品質與可靠性的專業環境之相關應用。
比較一覽：3DXMAX PC vs CarbonX PC+CF
| 性能 | 3DXMAX PC | CarbonX PC+CF |
|---|---|---|
| 密度 (g/cc) | 1.2 | 1.36 |
| 拉伸強度 (MPa) | 62 | 73 |
| 拉伸模數 (MPa) | 2410 | 6980 |
| 伸長率 (%) | 7 | 2.1 |
| 抗彎強度 (MPa) | 78 | 85 |
| 抗彎模數 (MPa) | 2200 | 6540 |
| 玻璃轉移溫度 (°C) | 147 | 127 |
| 熱變形溫度 (°C) | 135 | 119 |
| 表面電阻 (Ohm/sq) | > 10^13 | 10^9 |
PETG 是另一種常見材料，以耐用性、易列印性與耐化學性而受到廣泛使用。為了進一步展示添加碳纖維如何提升材料性能，我們比較兩款 PETG 線材：MAX-G PETG 與 CarbonX PETG+CF。
MAX-G PETG 是一款兼具強度與柔韌性的耐用材料。其基礎樹脂通過 FDA 認證，化學抗性優於 PLA 與 ABS。它具有極低的受潮率，比 ABS 低約三倍。列印溫度範圍廣（230–260°C），非結晶結構使其具備極低且接近等向性的收縮，確保複雜列印件的尺寸精準度。
MAX-G PETG 能抵抗像異丙醇等強烈化學物質，且列印時幾乎無氣味，是工程師尋求強度、耐用性與可列印性平衡時的理想選擇。
CarbonX PETG+CF 是碳纖維補強的 PETG，具備更高的強度、剛性與熱性能。添加工程級碳纖維後，材料展現更優異的機械性能與極佳的表面品質。此材料的非結晶結構使其具有低收縮與接近等向性的機械特性。其吸濕率約為 ABS 的三分之一，列印時氣味極低。建議列印溫度範圍為 230–270°C，同樣需要使用 至少 0.4 mm 的硬化鋼噴嘴。CarbonX PETG+CF 特別適合作為中度負載的結構件，兼具輕量化、優異表面品質與良好可列印性。
比較一覽：MAX-G PETG vs CarbonX PETG+CF
| 性能 | MAX-G PETG | CarbonX PETG+CF |
|---|---|---|
| 密度 (g/cc) | 1.2 | 1.34 |
| 拉伸強度 (MPa) | 45 | 56 |
| 拉伸模數 (MPa) | 1650 | 5230 |
| 伸長率 (%) | 24 | 3 |
| 抗彎強度 (MPa) | 72 | 80 |
| 抗彎模數 (MPa) | 1600 | 5740 |
| 玻璃轉移溫度 (°C) | 80 | 80 |
| 熱變形溫度 (°C) | 70 | 77 |
| 表面電阻 (Ohm/sq) | > 10^13 | >10^9 |
對於致力於突破積層製造能力的工程師而言，了解補強材料對於幾何影響是個關鍵。碳纖維的形狀、尺寸與分布會影響材料在受力、受熱與列印過程中的整體行為。
短切碳纖維（Chopped Fibers）
提供更高的拉伸與抗彎強度，適合承受載荷的功能性零件。
研磨碳纖維（Milled Fibers）
顆粒更細小，提供更好的尺寸穩定性與可列印性，適合需要高精度與光滑表面的應用。
碳纖維補強不僅提升材料強度，更讓熱塑性材料達到工業級需求。在航太、汽車、機器人等領域，碳纖維填充線材解鎖了新的設計可能性。
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