连续纤维增强热塑性复合材料的3D打印与应用

连续纤维增强热塑性复合材料具有高强度、高模量、耐冲击、低密度和可设计性强等优点，被广泛地应用于航空航天、军事国防、汽车、船舶、工业建筑、医疗等领域，是最主要的先进材料之一。然而，传统连续纤维增强热塑性复合材料的成形技术过程复杂，大多传统工艺需要制造专用的模具，制造成本高。复杂构型的连续纤维增强复合材料结构需要使用连接工艺，连接部位易产生缺陷。此外，传统工艺制备的连续纤维增强热塑性复合材料难以回收，目前的回收工艺会对环境造成很大的污染，材料的回收利用率低、成本高。因而，连续纤维增强热塑性复合材料的应用和发展受到了极大的限制。

3D打印技术是一种新的增材制造技术，不同于传统的减材和等材制造方法，它是基于由点到线、由线到面、层层叠加的原理，根据打印路径堆积材料，最终积累形成三维的制件。相比传统制造工艺，3D打印技术应用于连续纤维增强热塑性复合材料制造的技术优势非常显著。首先，工艺过程简单，不需要模具，生产周期短，极大地降低了连续纤维增强复合材料的生产成本。其次，不需要二次加工、连接工艺，3D打印技术可以一体化成型复合材料复杂构型的结构，有效地减轻结构的质量。第三，连续纤维是主要的承力材料，3D打印可以通过路径设计精确地控制连续纤维的取向，最大化利用纤维承载的方向性，提高材料的使用效率。此外，3D打印技术根据层层叠加的原理使纤维按照规划的打印路径进行有序排列，这为纤维的回收提供了可能。沿着打印的逆路径回收连续纤维，可以提高连续纤维增强复合材料的利用效率。

3D打印的产业应用

目前，连续纤维增强热塑性复合材料3D打印工艺尚处于起步时期，大多停留在实验室研究阶段，进行商业化推广的仅有两家公司——中国的陕西斐帛科技发展有限公司和美国的Mark Forged公司。Mark Forged公司开发了一种连续碳纤维增强热塑性复合材料3D打印机Mark One，该打印机采用两个独立的喷头，一个喷头挤出热塑性树脂，另一个喷头输送连续纤维预浸丝束，实现连续碳纤维增强尼龙复合材料的制造。Mark One采用纤维与热塑性树脂分离输送的方式，可能会出现界面结合强度差、翘曲严重等问题。依托西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，陕西斐帛科技发展有限公司提出了一种新的连续纤维增强热塑性复合材料3D打印工艺，开发了集成式复合材料3D打印喷头，使热塑性树脂丝材和连续纤维在集成喷头内浸渍融合形成复合材料，然后挤出。陕西斐帛科技发展有限公司还研制出了具有自主知识产权的连续纤维增强热塑性复合材料3D打印装备（COMBOT-Ⅰ），并建立了3D打印复合材料体系（碳纤维、芳纶纤维增强聚乳酸、尼龙、聚酰亚胺等）。COMBOT-Ⅰ所制备的碳纤维增强聚乳酸（PLA）复合材料的纤维体积含量达到28%时，抗弯强度可达到390兆帕，是传统PLA零件的7倍左右，抗弯性能优异。

连续纤维增强热塑性复合材料3D打印装备（COMBOT-Ⅰ）

复合材料绿色制造模式

绿色制造应用模式

目前，环境问题已经成为世界各国关注的热点，并列入世界议事日程，制造业将改变传统制造模式，推行绿色制造技术，生产出保护环境、提高资源利用效率的绿色产品，如绿色汽车等。连续纤维增强热塑性复合材料3D打印工艺按照有序的打印路径进行零件的制造，因此复合材料零件中的纤维是有序排列的。利用该特点，连续纤维可实现100%非降级回收，回收的连续纤维材料可再次用于连续纤维增强复合材料3D打印工艺，再制造制件的抗弯强度可提高25%。将连续纤维增强热塑性复合材料3D打印与其回收再制造技术相结合可以实现复合材料绿色再制造应用，很好地实现连续纤维的绿色回收与复合材料再制造，最大化连续纤维的使用效率，同时降低对环境的二次污染。该技术在复合材料新能源汽车、太空探索等领域有着较好的应用前景。

助力轻量化应用

在航空航天、汽车等领域，结构轻量化具有极其重要的价值，比如，太空中航天飞行器每减少1千克的质量，就能获得将自身质量减少100千克的质量系数，若汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。复合材料轻质结构是一种先进的轻量化设计理念，它充分利用材料的特性和结构的优势，使制件整体的性能最优化。复合材料常见的结构形式有夹层结构和网格结构等。连续纤维增强复合材料结构以其高比强度、高比刚度和多功能融合等优点被广泛应用于航空航天和汽车等领域。然而，传统的连续纤维增强复合材料轻质结构制造工艺无法一体化成型，成型周期长、成本高，难以成型复杂构型的轻质结构，大大限制了连续纤维增强复合材料轻质结构的应用。

连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术的出现，使得复杂构型连续纤维增强复合材料轻质结构的低成本、快速制造成为可能。连续纤维增强热塑性复合材料3D打印可实现复合材料轻质结构一体化制造工艺，通过路径规划设计和工艺优化，实现高性能复杂形状复合材料轻质结构的制造，减少复合材料轻质结构设计与制造的周期，拓展复合材料轻质结构的结构形式。未来，该技术有望应用于航空航天、汽车、高速列车等领域构件的设计与制造，加速复合材料轻质构件升级换代的速度，扩大复合材料轻质结构的应用范围。

复杂构型复合材料轻质结构的一体化制造

机遇与挑战

美国3D打印领域的咨询公司SmarTech最近出版的《3D打印复合材料市场——2017：机遇分析和10年预测》称，到2026年全球3D打印复合材料的收入将超过5亿美元，未来10年复合材料将成为3D打印最主要的市场机遇，连续纤维增强复合材料3D打印是其中最主要的一部分。连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术是一种全新的复合材料零件快速、低成本制造技术，它不仅能一体化成型复杂构型的复合材料零件，而且可以实现高效、高性能的绿色回收和再制造，该技术在航空航天、汽车、船舶等领域具有非常广泛的应用前景。但是，该技术刚刚兴起，要实现大规模的产业应用还有一系列问题需要解决。

首先，该技术缺少高性能的材料体系。现有的热塑性树脂材料都是工程塑料，如PLA、尼龙等，这些塑料的热稳定性较差，不能满足航空航天等领域的需求，开发适用于连续纤维增强复合材料3D打印的特种塑料（如聚醚醚酮、聚酰亚胺等），解决连续纤维与热塑性树脂界面结合性能差的问题是未来必须克服的挑战。

其次，连续纤维增强复合材料3D打印工艺还不完善。连续纤维增强复合材料3D打印制造零件的层间结合性能较差、精度较低，难以满足工业领域对其性能的要求，为此，需要对连续纤维增强复合材料3D打印工艺进行优化，以提高制件的层间结合性能和精度。在连续纤维增强复合材料零件中，纤维是主要的承力材料，其取向和含量分布对制件的性能起着决定性作用，为此，需要根据制件的受载条件进行打印路径的规划，进而精确地控制纤维的方向，以提高材料的使用效率和制件的性能。路径规划方法和路径生成算法将是亟待解决的难题。

此外，该技术不被大众所了解。目前，航空航天、汽车等领域的企业与连续纤维增强复合材料3D打印企业的交流和融合尚不够深入，彼此对各自的发展状况和需求也不清楚。另外，连续纤维复合材料的性能评价规范及标准缺失也制约着该技术的产业应用，如何推广该技术，建立相应的规范和标准体系是急需解决的问题。