纤维增强复合材料3D打印概述

3D打印技术也被称作增材制造技术( Additive Manufacturing，简称 AM) ，是各式打印工艺的汇称。3D 打印是以三维数据模型为基础，通过工程塑料线材、粉末和树脂等特定的材料逐层累积形成三维实体的快速成型技术。3D打印技术的原理是，用一些建模软件制作对应的三维模型，在切片软件中将之前建立的模型切成一定厚度的片层，这样就转换成了单一的二维图，然后一层一层地处理，堆放和积累，最后形成三维实体。3D打印步骤如图 1 所示。3D 打印技术能够制造任意复杂结构的产品且随时随地修改，这是传统技艺所不能比拟的。

随着航空航天、汽车工业、医疗器械、电子行业等领域的高速发展，传统的材料已经无法满足当前市场需求，这就催生了复合材料的产生。而将3D打印技术应用于复合材料的制造也越来越受欢迎。根据IDTechEx报告称，到2030年，复合材料3D打印市场规模将达到17.3亿美元。

目前市场上的 3D 打印技术的成型方式主要分为黏结剂喷射成型技术(3DP) 、熔融层积成型技术 (FDM) 、光固化成型技术(SLA) 、选区激光烧结技术 (SLS) 、选择性激光熔融技术(SLM) 以及分层实体制 造技术(LOM) 。这些三维打印技术概述如表1所列。

2. 纤维增强复合材料3D打印的发展进程

3D 打印技术仅有 40 年的发展历史，科学技术的进步使这一技术迅速发展。为了克服纯聚合物 3D 打印性能差的问题，采用了不同增强体对聚合物进行增强以提升 3D 打印制件性能。其中，纤维作为增强体的一种，得到了最广泛的应用。纤维增强复合材料 3D 打印技术的发展可以分成两个阶段: 第一个阶段，向热塑性聚合物中添加短切纤维以提升复合材料性能; 第二个阶段，将连续纤维作为增强体，进行复合材料的 3D 打印。

对于短切纤维增强复合材料的 3D 打印，可以采用多种3D 打印工艺，如光固化( SLA) 、熔融沉积成型( FDM) 、选择性激光烧结(SLS) 和直接能量沉积( DED) 等。短切纤维成本低，且易于添加到聚合物基体中进行3D 打印，改善复合材料的强度、 刚度、韧性。而在各种 3D 打印工艺中，短切纤维的加入会影响光敏树脂的透明度从而影响 SLA 工艺 成型过程，SLS 工艺与 DED 工艺成本较高，而 FDM 工艺与短切纤维增强复合材料的成型契合度最高， 且 FDM 工艺最为成熟，成本也低。因此，目前短 切纤维增强复合材料的 3D 打印仍然以 FDM 工艺为 主。下面两图为 FDM 成型示意图和基于 FDM 工艺进行短切纤维增强复合材料 3D 打印的液相沉积模型。复合材料熔体经喷嘴挤出后，由于纤维与喷嘴壁的剪切作用，短切纤维呈一定的取向。

通过3D打印制造连续纤维复合材料，可以用碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维、黄麻等天然纤维，以及超高分子量聚乙烯纤维等增强聚合物。由于碳纤维具有高刚度和强度，它主要用作3D打印复合材料的增强材料，特别是在航空航天和车辆领域的应用。更重要的是，直径极细的1K碳束可以成功的从喷嘴中挤出。3D打印复合材料中碳纤维的可变束径（1K、3K等）协同提高了最终的力学性能和精度。玻璃纤维相对便宜并且表现出相当好的机械性能，对重量和强度要求不高，因此通常用作3D打印复合材料的增强材料，尤其是体育行业。凯夫拉纤维因其轻质、耐冲击的特性，常用于轻质复杂结构复合材料的3D打印。黄麻纤维被归类为源自植物的天然纤维，用于增强“绿色”复合材料。尽管超高分子量聚乙烯纤维重量轻、强度高，但由于其熔化温度低，需要较低熔化温度的基体才能兼容，因此很少用作3D打印的增强材料。

对于连续纤维增强复合材料的 3D 打印，目前最常见的工艺仍是基于材料挤出原理的 FDM 工艺。如图 4 所示，连续纤维增强复合材料 FDM 工艺的实 现原理可以分为单喷嘴式与双喷嘴式。其中，单喷嘴式连续纤维增强复合材料 3D 打印机基于原位浸渍原理，碳纤维丝在喷嘴腔中与熔融聚合物接触实现浸渍过程，再通过喷嘴将浸渍后的连续纤维层层沉积，这种打印方式原理简单但浸渍效果差; 双喷嘴式连续纤维增强复合材料 3D 打印机拥有两个 独立喷嘴，其中一个喷嘴用于挤出预先浸渍过的连续纤维而另一个喷嘴用于挤出热塑性聚合物，这种打印工艺利用纤维排布的设计，使制件用最少的纤维，达到更高的强度。

由于传统 3D 打印垂直逐层打印的特点，需要在打印过程中打印许多支撑结构，而这些支撑结构 需要在打印后进行去除，这一过程极大地增加了打印过程的工作量。同时，在连续纤维复合材料的 3D 打印过程中很难实现支撑结构的打印，可以通过增加打印机的自由度实现制件的无支撑打印。美国 Electroimpact 公司开发了一种复合材料 3D 打印新技术，即多自由度机器人 3D 打印，由一台精确操作的机器人、旋转平台和温控室组成，目前存在的大部分 3D 打印系统其实仅仅是 2D 平面层层堆积形成三维形状，而多自由度机器人3D 打印则可以实现真正的三维成型。多自由度的打印模式允许更灵活的打印轨迹设计与更丰富的结构设计，打印头通过六维自由度在三维空间中沉积材料，可以实现纤维的取向与载荷路径相适应，提升制件性能。多自由度机器人3D 打印的出现打破了传统3D打印的局限性，将会给连续纤维增强复合材料的 3D 打印带来新一轮技术发展。

航空航天主要是新一代战机、国产大飞机、新型火箭发动机、火星探测器等重点装备的关键零部件逐步应用增材制造技术，解决了诸多过去难以制造的复杂结构零件成形问题，实现产品结构轻量化；也有一些太空打印的探索。GE公司在这方面做的比较多。

医疗领域目前主要是一些辅助医疗器械、植入物等；还有目前还无法实现的活体打印是未来的重要研究方向。

目前在汽车上直接制造部件较少，主要还是生产精密铸造的蜡模等。

纤维增强复合材料 3D 打印技术解决了传统复合材料制造工艺成本高、工艺复杂等问题，但是与传统复合材料制造工艺生产的复合材料构件相比，还存在种种问题需要解决:

以上三个问题制约了目前纤维增强复合材料 3D 打印技术的应用推广。而对于未来纤维增强复 合材料3D 打印的发展，预测发展趋势如下:

参考文献：

[1] 任佳军,孙颖,鞠博文,等.纤维增强热塑性复合材料3D打印研究进展[J].复合材料科学与工程,2023(11):122-128.DOI:10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.017.

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