纤维增强复合材料在3D打印领域的应用日益广泛，涵盖航空航天、电子、纺织和弹道等行业。3D打印技术降低了成本，缩短了生产周期，为这些领域的产品设计提供了更大的灵活性和创新空间。例如，在航空航天领域，该技术已用于制造巨型卫星燃料箱；在电子工业，推动了柔性电子产品的创新；纺织工业则利用该技术打印智能纺织品；弹道工业则提高了生产效率，实现了复杂设计。这些变革预示着未来技术发展的巨大潜力。3D打印技术可创造复杂几何形状。借助3D打印机器人与先进工艺，我们能够直接制造出大型集成部件，无需繁琐的组装过程，如图1（a-d）所示。这些加工上的优势确保了复合材料在与替代EMIS材料的竞争中，依然保持着成本竞争力。此外，3D打印技术还具备材料选择的灵活性，能够兼容多种基质材料。这些基质材料涵盖了广泛的热塑性塑料，包括PLA、ABS、PC、PP、PS、PA以及高性能的PEEK等，为制备多功能且易于加工的屏蔽材料提供了丰富的选择。
图1 (a) FDM 3D打印机 (b) 3D打印机器人 (c) 3D打印过程的流程图(d) 打印样品
1、航空航天工业
航空航天工业（图2（a-c））极大地受益于3D打印技术的发展。该技术能够迅速制造具有复杂工程几何形状的产品，成为航空航天部门的理想选择。这些产品凭借其低产量、卓越的质量、轻盈的重量以及耐高温等显著优势，赢得了业界的青睐。
图2 (A) 由凯夫拉、碳纤维和玻璃纤维增强的热塑性塑料制成的机翼;（B）无人机（UAV）机翼上无缝连接的碳纤维层压；(C) 通过3D打印技术制造的无人机起落架
通过将连续纤维融入3D打印流程，能够创造出高强度重量比的轻质结构，这一特性不仅适用于航空航天领域，也广泛应用于汽车行业。纳米复合材料的加入进一步提升了复合材料的电导率和热导率，同时改善了其分层性能。然而，CFRC（碳纤维增强复合材料）在航空航天工业中以其卓越的高刚度和比强度脱颖而出。采用3D打印技术制造CFRC已成为制造复杂复合材料结构的一种高效方法。回溯至2014年，美国宇航局携手轨道上制造公司，在国际空间站上成功完成了首次太空3D打印研究，期间生产了超过20个纯PLA样本（如图3(a & b)所示）。时至2020年，西安交通大学与中国空间技术研究院的研究团队携手，在宇宙飞船上成功实施了中国的首次3D打印实验（如图3(c)所示）。受NASA蜘蛛模型构想的启发（如图3(d)所示），设想中的太空机器人将运用连续碳纤维增强的PEEK复合材料，构建一座壮观的螺旋结构。此外，苏黎世联邦理工学院的CMASLab团队更是创新性地设计并测试了一种由3D打印CFRCs制成的变形无人机（如图3(e)所示），该无人机仅凭变形控制面便能实现滚动、俯仰和偏航的精准操控。值得注意的是，高真空环境、极端温差以及强辐射等，仅是3D打印技术在航空航天工业中必须克服的众多严苛条件中的一部分。
图3 （a-b)3D打印制品 (c)用连续碳纤维增强的PLA复合材料（d)用于构建巨大结构的Spider Fab （e)使用CFRCs进行3D打印的无人机结构件MAS（多层装甲系统）是一种卓越的防御装置。该系统巧妙地融合了多种先进的合成材料，特别是凯夫拉纤维与铝合金的运用。在探索MAS及其相关领域的潜在应用时，NFRPC无疑是新材料中最引人注目的亮点之一。作为多智能体系统架构中不可或缺的第二层组件，NFRPC展现了其独特的价值。研究团队对不同浓度的图形纤维进行了深入研究。实验结果表明，当纤维体积分数达到30%时，所制成的聚酯复合材料在承受冲击后，不仅保持了出色的结构完整性，还展现了卓越的能量吸收性能，使其成为凯夫拉尔纤维的理想替代品。
图4清晰呈现了弹道硬装甲系统的基本构造示意图，深刻揭示了这一前沿防御技术的核心要素。分析棕榈纤维基NFRPC的弹道性能特征，明确指出复合材料中棕榈纤维的体积占比范围为10%至50%。在弹道学评估环节中，采用7.62毫米口径弹药作为基准测试，以穿透深度为关键衡量标准，严格验证系统是否符合NIJ标准0101.06的规范需求。试验结果显示，表层覆盖木薯纤维复合材料的样本展现出卓越的防护效能，强有力地证明了环保型木薯纤维在防护体系中的可行性与优越性。弹道纳米复合材料领域正成为科研热点。通过将纳米粘土融入基质体系，成功制备出性能显著提升的玻璃-环氧纳米复合材料。此类材料在遭遇冲击时，基质纱线的拉伸失效与分层现象有效耗散了冲击能量。引入纳米颗粒不仅增强了纤维与基质间的粘附力，还优化了纤维基质的界面结合性能。特别地，我们还对氧化铝制成的3D打印铠装钢板进行了有效性评估。通过PSD板与DIW板的弹道性能对比，发现DIW板在抗冲击性、硬度及弯曲强度等方面均优于PSD板，这主要归因于其较小的晶粒尺寸带来的韧性提升。
展望未来技术突破后3D打印在创造个性化盔甲方面的独特优势。特别是在材料浪费和人力投入方面，3D打印技术展现出显著优势，更适合于定制化、小批量生产的场景。本概念项目强调了利用3D打印技术轻松创建与用户完美贴合的（硬）防弹衣的潜力，并展示了如何通过简单方式增强产品的新（复杂）功能，无需大量投资于新机械设备的研发。3D打印技术在纺织品领域展现出了多元化的应用模式，其卓越的精密设计与细节处理能力，可能使其相较于传统制造方法具备显著优势。天然纤维，凭借其独特的粗糙质感，成为了3D打印材料的理想材料，这一选择深植于它们各自独特的物理属性之中。研究表明，样品的毛感、粗糙度、疏水性和润湿性等特性，均与打印浆料的粘附性能紧密相关。得益于天然纤维的亲水性，打印浆料能够轻松渗透织物并实现牢固结合。特别是羊毛纤维，其表面的粗糙性更是显著增强了粘附效果。在纺织制造领域引入或实施3DP技术的核心目标，应聚焦于模拟并优化纺织品的关键品质特征，包括但不限于柔软触感、柔韧性能、强度水平及孔隙度等核心要素。通过运用三维编织、针织或织造技术，我们能够显著提升织物的厚度，使螺旋线或纤维在厚度轴上实现有序排列，从而构建出独特的三维局部结构。这些技术在三维空间内所展现出的“3D”特征尤为显著。尽管这些创新技术展现出了塑造复杂三维形态的巨大潜力，但目前尚无一技术能够独当一面，直接应用于服装的规模化生产。然而，这也为时装设计师与功能性可穿戴设备设计师带来了前所未有的机遇。他们得以摆脱针织、编织等传统生产方式的束缚，从3D打印技术赋予的完全定制化生产能力中汲取灵感，创造出前所未有的设计作品。
图6展示了利用不同硬件或纺织品材料通过3D打印技术制成的时尚服饰作品。具体而言，图6a与b展示了采用PA（聚酰胺）与SLS（选择性激光烧结）技术制成的印刷时装作品，其尺寸精细为（9.5×9.5×3.6mm）。此外，图6c与d揭示了3D打印技术在流体可穿戴设备上的应用，这些设备具备清晰的区域划分，能够产生多样化的声音与光影效果；通过将热塑性聚氨酯（TPU）与SLS技术结合，创造出细密的编织线，模拟出蕾丝般的纹理，用于裙装设计；更有甚者，在多材料3D打印技术（精度高达16μm）中加入形状记忆合金（SMA），开发出能够响应人体动作乃至目光注视的柔性网格结构。导电复合材料是指那些具备卓越电导率特性的复合材料。当适量的聚合物树脂与导电填料，特别是像石墨烯这样的碳基化合物相融合时，便能打造出导电复合材料。随着填料含量的递增，复合材料内的导电粒子间开始相互作用，构建出一条连续的导电通道，使得电子得以自由流通。此类材料不仅耐腐蚀、质轻，还能根据特定需求进行形状设计，因此，在某些应用场景下，它们能够有效替代传统金属。导电复合材料的用途广泛，涵盖了涂层、电池、传感器、电极以及电磁干扰屏蔽材料等多个领域。随着3D打印技术的飞速发展及其在研究、技术和工业领域的日益普及，制造商们正逐渐认识到这一技术所带来的巨大潜力。特别是熔融沉积成型（FDM）3D打印技术，它使得3D电极的制造既经济又高效，且其结构与表面积相较于铜、铝和碳电极展现出更高的灵活性。该打印技术全自动化且精准度高，能够在短短30分钟内完成8个电极的打印工作。图7所展示的新型打印纳米复合材料中，MEMS、芯片实验室、工程材料、微流体、组织工程、微电子以及光子学等领域均展现出了其显著的价值。针对用于流体传感和电磁干扰（EMI）屏蔽的2D及3D结构，Serizawa等人报告了通过SC-3D打印技术生产的高导电性纳米复合组件（电导率高达5000 Sm-1）的研究成果。他们利用球磨机将20%的聚乳酸（PLA）与碳纳米管进行混合，并发现尽管通过打印机的小喷嘴挤出高达40%纳米管负载的复合材料存在困难，但打印出的纳米复合材料在作为3D支架以阻断电磁干扰方面，其性能明显优于热压固体复合材料。
图7 微流体、微机电系统（MEMS）、工程复合材料、微电子和电信五个领域以各种3D打印技术产生的三维纳米复合材料宏观和微观结构图此外，罗马尼亚布加勒斯特理工大学的研究小组成功开发并测试了一种创新的三维、多层石墨烯生物传感器。在设计过程中，科研人员特别重视了传感器本身及其与界面的兼容性，这对于实现高灵敏度的葡萄糖检测至关重要。研究人员巧妙地将两亲性吡咯单体与葡萄糖氧化酶结合，并吸附于铂电极上，通过氧化聚合反应，制备出了先进的葡萄糖生物传感器。然而，这类传感器在遇到内源性物质（如抗坏血酸和尿酸盐）和外源性物质（如扑热息痛）时，容易受到显著干扰，尤其是在0.5 V电压下，基于过氧化氢电氧化和形状改变效应的传感器体系中。A comprehensive exploration of 3D printing with fiber-reinforced composites in aerospace, automotive, medical, and consumer industries