連續纖維增強熱塑性復合材料的3D打印與應用

連續纖維增強熱塑性復合材料具有高強度、高模量、耐沖擊、低密度和可設計性強等優點，被廣泛地應用于航空航天、軍事國防、汽車、船舶、工業建筑、醫療等領域，是最主要的先進材料之一。然而，傳統連續纖維增強熱塑性復合材料的成形技術過程復雜，大多傳統工藝需要制造專用的模具，制造成本高。復雜構型的連續纖維增強復合材料結構需要使用連接工藝，連接部位易產生缺陷。此外，傳統工藝制備的連續纖維增強熱塑性復合材料難以回收，目前的回收工藝會對環境造成很大的污染，材料的回收利用率低、成本高。因而，連續纖維增強熱塑性復合材料的應用和發展受到了極大的限制。

3D打印技術是一種新的增材制造技術，不同于傳統的減材和等材制造方法，它是基于由點到線、由線到面、層層疊加的原理，根據打印路徑堆積材料，最終積累形成三維的制件。相比傳統制造工藝，3D打印技術應用于連續纖維增強熱塑性復合材料制造的技術優勢非常顯著。首先，工藝過程簡單，不需要模具，生產周期短，極大地降低了連續纖維增強復合材料的生產成本。其次，不需要二次加工、連接工藝，3D打印技術可以一體化成型復合材料復雜構型的結構，有效地減輕結構的質量。第三，連續纖維是主要的承力材料，3D打印可以通過路徑設計精確地控制連續纖維的取向，最大化利用纖維承載的方向性，提高材料的使用效率。此外，3D打印技術根據層層疊加的原理使纖維按照規劃的打印路徑進行有序排列，這為纖維的回收提供了可能。沿著打印的逆路徑回收連續纖維，可以提高連續纖維增強復合材料的利用效率。

3D打印的產業應用

目前，連續纖維增強熱塑性復合材料3D打印工藝尚處于起步時期，大多停留在實驗室研究階段，進行商業化推廣的僅有兩家公司——中國的陜西斐帛科技發展有限公司和美國的Mark Forged公司。Mark Forged公司開發了一種連續碳纖維增強熱塑性復合材料3D打印機Mark One，該打印機采用兩個獨立的噴頭，一個噴頭擠出熱塑性樹脂，另一個噴頭輸送連續纖維預浸絲束，實現連續碳纖維增強尼龍復合材料的制造。Mark One采用纖維與熱塑性樹脂分離輸送的方式，可能會出現界面結合強度差、翹曲嚴重等問題。依托西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室，陜西斐帛科技發展有限公司提出了一種新的連續纖維增強熱塑性復合材料3D打印工藝，開發了集成式復合材料3D打印噴頭，使熱塑性樹脂絲材和連續纖維在集成噴頭內浸漬融合形成復合材料，然后擠出。陜西斐帛科技發展有限公司還研制出了具有自主知識產權的連續纖維增強熱塑性復合材料3D打印裝備（COMBOT-Ⅰ），并建立了3D打印復合材料體系（碳纖維、芳綸纖維增強聚乳酸、尼龍、聚酰亞胺等）。COMBOT-Ⅰ所制備的碳纖維增強聚乳酸（PLA）復合材料的纖維體積含量達到28%時，抗彎強度可達到390兆帕，是傳統PLA零件的7倍左右，抗彎性能優異。

連續纖維增強熱塑性復合材料3D打印裝備（COMBOT-Ⅰ）

復合材料綠色制造模式

綠色制造應用模式

目前，環境問題已經成為世界各國關注的熱點，并列入世界議事日程，制造業將改變傳統制造模式，推行綠色制造技術，生產出保護環境、提高資源利用效率的綠色產品，如綠色汽車等。連續纖維增強熱塑性復合材料3D打印工藝按照有序的打印路徑進行零件的制造，因此復合材料零件中的纖維是有序排列的。利用該特點，連續纖維可實現100%非降級回收，回收的連續纖維材料可再次用于連續纖維增強復合材料3D打印工藝，再制造制件的抗彎強度可提高25%。將連續纖維增強熱塑性復合材料3D打印與其回收再制造技術相結合可以實現復合材料綠色再制造應用，很好地實現連續纖維的綠色回收與復合材料再制造，最大化連續纖維的使用效率，同時降低對環境的二次污染。該技術在復合材料新能源汽車、太空探索等領域有著較好的應用前景。

助力輕量化應用

在航空航天、汽車等領域，結構輕量化具有極其重要的價值，比如，太空中航天飛行器每減少1千克的質量，就能獲得將自身質量減少100千克的質量系數，若汽車整車質量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。復合材料輕質結構是一種先進的輕量化設計理念，它充分利用材料的特性和結構的優勢，使制件整體的性能最優化。復合材料常見的結構形式有夾層結構和網格結構等。連續纖維增強復合材料結構以其高比強度、高比剛度和多功能融合等優點被廣泛應用于航空航天和汽車等領域。然而，傳統的連續纖維增強復合材料輕質結構制造工藝無法一體化成型，成型周期長、成本高，難以成型復雜構型的輕質結構，大大限制了連續纖維增強復合材料輕質結構的應用。

連續纖維增強熱塑性復合材料3D打印技術的出現，使得復雜構型連續纖維增強復合材料輕質結構的低成本、快速制造成為可能。連續纖維增強熱塑性復合材料3D打印可實現復合材料輕質結構一體化制造工藝，通過路徑規劃設計和工藝優化，實現高性能復雜形狀復合材料輕質結構的制造，減少復合材料輕質結構設計與制造的周期，拓展復合材料輕質結構的結構形式。未來，該技術有望應用于航空航天、汽車、高速列車等領域構件的設計與制造，加速復合材料輕質構件升級換代的速度，擴大復合材料輕質結構的應用范圍。

復雜構型復合材料輕質結構的一體化制造

機遇與挑戰

美國3D打印領域的咨詢公司SmarTech最近出版的《3D打印復合材料市場——2017：機遇分析和10年預測》稱，到2026年全球3D打印復合材料的收入將超過5億美元，未來10年復合材料將成為3D打印最主要的市場機遇，連續纖維增強復合材料3D打印是其中最主要的一部分。連續纖維增強熱塑性復合材料3D打印技術是一種全新的復合材料零件快速、低成本制造技術，它不僅能一體化成型復雜構型的復合材料零件，而且可以實現高效、高性能的綠色回收和再制造，該技術在航空航天、汽車、船舶等領域具有非常廣泛的應用前景。但是，該技術剛剛興起，要實現大規模的產業應用還有一系列問題需要解決。

首先，該技術缺少高性能的材料體系。現有的熱塑性樹脂材料都是工程塑料，如PLA、尼龍等，這些塑料的熱穩定性較差，不能滿足航空航天等領域的需求，開發適用于連續纖維增強復合材料3D打印的特種塑料（如聚醚醚酮、聚酰亞胺等），解決連續纖維與熱塑性樹脂界面結合性能差的問題是未來必須克服的挑戰。

其次，連續纖維增強復合材料3D打印工藝還不完善。連續纖維增強復合材料3D打印制造零件的層間結合性能較差、精度較低，難以滿足工業領域對其性能的要求，為此，需要對連續纖維增強復合材料3D打印工藝進行優化，以提高制件的層間結合性能和精度。在連續纖維增強復合材料零件中，纖維是主要的承力材料，其取向和含量分布對制件的性能起著決定性作用，為此，需要根據制件的受載條件進行打印路徑的規劃，進而精確地控制纖維的方向，以提高材料的使用效率和制件的性能。路徑規劃方法和路徑生成算法將是亟待解決的難題。

此外，該技術不被大眾所了解。目前，航空航天、汽車等領域的企業與連續纖維增強復合材料3D打印企業的交流和融合尚不夠深入，彼此對各自的發展狀況和需求也不清楚。另外，連續纖維復合材料的性能評價規范及標準缺失也制約著該技術的產業應用，如何推廣該技術，建立相應的規范和標準體系是急需解決的問題。