连续纤维复合材料3D打印技术的应用与展望

来源：中国机械工程学报

与金属和合金相比，连续纤维增强聚合物复合材料（CFRPC）由于重量轻、比强度高，已广泛应用于汽车、飞机和航天领域。类似空客A350XWB等世界先进机型使用的复合材料占材料总重量的50%以上。如果采用先进的复合材料代替普通钢材，整体结构重量可以减少60%。

△空客A350XWB外形

然而，使用先进复合材料所支付的费用远高于传统金属材料，主要体现在原材料、制造工艺和设备与回收三个环节。过去几年出现的热塑性复合材料由于抗蠕变性高、易于加工、可充分回收利用等特点，有望成为下一代绿色复合材料。但热塑性复合材料的成型十分依赖模具，这阻碍了很多复杂复合部件的设计与制造。

热塑性塑料及其复合材料是3D 打印工艺广泛使用的原材料之一。2014年，CFRPC 3D打印专利和原型机问世。在CFRPC 3D打印过程中，连续纤维被送入喷嘴中，也可以将其他材料送入喷嘴中实现共挤打印。很多智能材料，例如形状记忆高分子（SMP）、液晶弹性体（LCE）也已被用于实现多功能智能化复合材料的制造。连续纤维增强聚合物复合材料3D打印技术的出现，让先进材料与复合复杂部件融为一体。

△Arevo连续纤维复合材料3D打印系统

热塑性复合材料3D打印工艺

● 原位材料挤压法

由碳纤维和聚合物原位材料挤压为主的CFRPC 3D打印工艺。热塑性树脂长丝和增强纤维被送入喷嘴，聚合物长丝被加热器熔化，增强纤维在加热器中浸渍聚合物，然后共同挤出后固结并层压在热台上。

△连续碳纤维增强复合材料3D打印

● 预浸渍复合长丝3D打印

Markforged（美国）从 2015 年开始出售MarkOne，这是世界上第一台生产连续纤维增强复合材料的商用3D打印机。下图显示了 MarkOne打印机系统的流程原理：一个印刷头有两个打印喷嘴，分别打印热塑性长丝和预浸渍复合材料长丝。与原位材料挤压相比，预浸渍复合长丝3D打印出来的部件结构更紧密，其性能也更优良。

△ (a) MarkOne 系统的示意图；(b) 0°CF/PA复合材料试样 的横截面图；(c) 基于微螺杆原位挤压的连续纤维增强复合材料3D打印示意图；(d)3D打印设备；(e) 预挤出长丝；(f) 标准机械试样；(g)蜂窝结构部分。

CFRPC 3D打印技术应用

● 航空航天轻质复合结构

在航空航天工业中，碳纤维增强混凝土由于具有较高的强度和刚度备受瞩目。NASA与Made In Space合作完成了世界上第一个3D打印空间实验，并于2014年在国际空间站制造了20多个PLA样品。

中国空间技术研究院与西安交通大学合作，于2020年成功完成了中国首个使用连续碳纤维增强PLA复合材料的航天器3D打印实验。NASA提出利用空间机器人构建连续碳纤维增强复合材料的大型空间站外结构。但是，为了满足高真空、大温差、强辐射等航空航天的高要求，3D打印的原材料和性能还需进一步提升。

△空间3D打印：（a），（b）纯 PLA ；(c) 连续碳纤维增强PLA复合材料；(d) 用于大型结构的SpiderFab；(e) 用于无人机的3D打印 CFRC 结构。

● 消费产品

CFRPC 3D打印技术在汽车、运动等一些民用领域也显示出广泛的应用前景，不仅可以节省模具的生产成本，而且因重量轻而降低能耗。典型案例是由阿雷沃公司生产的自行车车架。传统的自行车车架由数百个零件制成，这些零件分别生产后被螺栓固定在一起。而连续纤维增强复合材料硬壳式自行车车架通过简单的 3D 打印工艺制造，3D 打印技术也可以根据骑手的身高、体重和习惯量身定制车架。

△CFRC自行车车架的3D打印：（a）制造工艺；(b) 最终产品。

● 制造业夹具与工具

大多数3D打印的热塑性聚合物或短纤维增强复合材料的机械性能相对较低，因此只能用于制造一些原型部件。通过3D打印技术制作出来的连续纤维复合材料部件具有较高强度，可直接用作最终部件。打印材料更轻，不会损坏工件表面。Dixon Valve公司制造了机器人末端执行器采用的连续纤维夹具，与传统工艺相比，制作成本降低96.8%，生产时间缩短87%， GE公司也利用同样的方法制作了喷嘴检测夹具。

△3D 打印CFRC夹具和工具：（a）机器人末端执行器夹具；(b) 检测夹具。

CFRPC 3D打印的未来

● 可回收的绿色复合材料


随着CFRPC使用量的与日俱增，复合材料的可回收性正成为工业应用的限制所在。尤其是热固性复合材料，如今尚未得到适当的回收利用。

基于CFRPC 3D打印技术，在PLA复合材料的回收和再制造的基础上，很多学者提出了一种高性能连续碳纤维增强热塑性复合材料的清洁生产模式。连续碳纤维和PLA基体以PLA浸渍碳纤维长丝的形式从3D打印复合材料组件中回收，并作为3D打印工艺的原材料重新利用。同时，高分子纤维和天然纤维也可在3D打印工艺中回收利用，以实现可持续生产。

△可回收的复合材料：(a) CFRTPC 的清洁生产模式；(b) 复合材料的回收循环；(c)全纤维液晶聚合物复合材料的3D打印。

● 智能复合材料的增材制造

CFRPC 3D打印可以制造集成传感、驱动、计算和通信的生物系统的复合材料结构。蓬勃发展的研究工作极大地扩展了其在多材料中的应用领域，这些材料具有多种智能功能，如传感、驱动、计算、通信等。在全球研究人员的不懈努力下，CFRPC的范围已远远超出3D打印，它旨在融合多领域和n维印刷。同时开发智能增材制造工艺和设备，实现先进复合材料或多材料结构的自动化和智能制造。3D打印设备可以嵌入各种传感器和执行器，实现制造的过程检测和闭环控制。

△智能复合材料3D打印从3D到nD

原文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S277266572200006X