走向量產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用的復(fù)合材料3D打印

來源：榮格-《國際復(fù)材技術(shù)商情》

經(jīng)過多年來的發(fā)展,，增材制造技術(shù)正在對諸多行業(yè)產(chǎn)生深刻影響，并且有可能發(fā)展成為“第四次工業(yè)革命”,。以熔融沉積（FDＭ）工藝為基礎(chǔ)使用高分子材料的3D打印技術(shù)已經(jīng)廣泛用于各個領(lǐng)域,，展現(xiàn)出了巨大的潛力。不需要模具,、可以成型復(fù)雜形狀,、成型周期短等特點都是其他傳統(tǒng)工藝無法比擬的。

△曲軸上的3D打印碳纖維復(fù)合材料連接桿

復(fù)合材料3D打印工藝的主要優(yōu)勢在于成本低,，周期短,，能實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)建的快速制造。目前在航空航天,、汽車和防衛(wèi)等部門都在實施這種技術(shù),，以實現(xiàn)靈活開發(fā)、不同批量生產(chǎn)和按需交付,。

例如,，一家希臘的機械加工商為汽車制造了一批3D打印的碳纖維復(fù)合材料連接桿。

△打印碳纖維

短切纖維打印與連續(xù)纖維打印
在基礎(chǔ)3D打印熱塑性材料加入纖維,，以碳纖維為例,，目前有兩種碳纖維打印方法：短切碳纖維填充熱塑性塑料和連續(xù)碳纖維增強材料。其中,，切碎的碳纖維填充熱塑性塑料是通過標準熔融沉積（FDM）或SLS打印機進行打印的,，其主要組成材料是熱塑性塑料（PLA，ABS或尼龍）與細小的短切碳纖維,。

對于短碳纖維增強高分子，理論上纖維長度為0.2至0.4 mm，目前FDM和SLS打印的纖維長度在5至10μm,。短碳纖維的加入,，可以明顯提高部件的力學(xué)強度，尤其是拉伸和彎曲強度及模量,；同時也提高了部件的尺寸穩(wěn)定性,、以及表面光潔度和精度。但是,，一些短纖維增強纖維通過使材料過度飽和來提高強度,。這不僅損害了零件的整體質(zhì)量，而且還降低了表面質(zhì)量和零件精度,。

△在圖一中沒有分布在整個結(jié)構(gòu)中 在圖二中以交叉方式加固

△由于在單一方向上的熱塑性沉積最少 該零件的材料更少但強度更高

連續(xù)碳纖維制造是一種獨特的打印工藝,，其將連續(xù)的碳纖維束鋪設(shè)到標準FDM熱塑性基材中。連續(xù)碳纖維才是真正的增強復(fù)合材料強度的關(guān)鍵,。利用3D打印復(fù)合材料部件替代傳統(tǒng)的金屬部件,，其優(yōu)勢在于可以在重量的一小部分上實現(xiàn)類似的強度，所以從效益上來講,，這是一種經(jīng)濟有效的解決方案,。

高性能連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料3D打印技術(shù)是以連續(xù)纖維增強熱塑性高分子材料，實現(xiàn)高性能復(fù)合材料零件直接3D打印,，采用連續(xù)纖維與熱塑性高分子材料為原材料,，利用同步復(fù)合浸漬－熔融沉積的3D打印工藝實現(xiàn)復(fù)合材料制備與成形的一體化制造。使用這種方法的打印機在打印時,，通過FFF擠出的熱塑性塑料內(nèi)的第二個打印噴嘴鋪設(shè)連續(xù)的高強度纖維（例如碳纖維,，玻璃纖維或凱夫拉）。從而使得增強纖維形成印刷零件的“主干”,，產(chǎn)生堅硬,、堅固和耐用的效果。

目前市場上已開發(fā)出多款連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印機,，并建立了3D打印復(fù)合材料體系（碳纖維,、芳綸纖維增強聚乳酸、尼龍,、聚酰亞胺等）,。所制備的碳纖維增強PA復(fù)合材料纖維體積含量達到42%時，抗彎強度達到560MPa,，抗彎模量達到62GPa,，是傳統(tǒng)PLA零件的9倍左右。

目前3D打印機的類型和打印技術(shù)也開發(fā)出很多種,，除了熔融沉積（FDＭ）工藝,，也稱為FFF（熔融線材制造）之外,，還有其他類型。其中包括：CFF（連續(xù)線材制造）,；ADAM（原子擴散增材制造）,；SLS/SLM（選擇性激光燒結(jié)/選擇性激光熔化）；DLP（直接光處理）,；SLA（光固化立體造型）和粘結(jié)劑噴射等,。

當今，增材制造領(lǐng)域已經(jīng)呈爆發(fā)式發(fā)展,，傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品,，而增材制造技術(shù)則可以以更快、更靈活以及更低成本的辦法進行生產(chǎn),。而且,，隨著技術(shù)的發(fā)展，3D打印正逐漸走向量產(chǎn)化,。

不斷涌現(xiàn)的3D打印創(chuàng)新技術(shù)
一家俄羅斯公司向市場上推出了自己的連續(xù)碳纖維打印版本稱為復(fù)合纖維共擠出（CFC）技術(shù),。

這家俄羅斯公司起源于俄羅斯航天局的一個宇宙飛船建造項目，由四位世界航空航天領(lǐng)域頂尖的復(fù)合材科學(xué)家于“俄羅斯硅谷”——斯科爾科沃創(chuàng)新中心聯(lián)合創(chuàng)立,。初創(chuàng)團隊經(jīng)過不斷的探索與研究,，成功地攻關(guān)了連續(xù)纖維3D打印這一世界性的技術(shù)難題，并開發(fā)出了獨特的CFC復(fù)合纖維共擠技術(shù),，且順利向市場推出了桌面級和工業(yè)級的連續(xù)纖維3D打印設(shè)備,。

與CFF不同，其預(yù)浸料具有一個輸入和一個輸出,，CFC使用兩個輸入和一個輸出,。一個輸入專用于增強纖維，另一個輸入用于熱塑性塑料,。干纖維被送入系統(tǒng)中,，并在其中浸入液態(tài)的熱固性樹脂。在印刷過程中,，熱固性材料與傳統(tǒng)的熱塑性長絲固化并一起擠出,。然后，滲透到增強纖維中的熱固性基體與長絲粘合,。

結(jié)果,，不僅很少有機會在預(yù)浸料中引入氣泡或空隙，而且還開拓了CFC可以使用的多種熱塑性塑料（到目前為止,，PETG,，ABS，PC,，PLA和PA）,。還可以在CFC中控制沉積速率,，以生成有趣的結(jié)構(gòu)和特性，這些特性和特性是傳統(tǒng)復(fù)合材料制造所無法實現(xiàn)的,，例如晶格形狀,。在傳統(tǒng)情況下，將一根碳絲束穿過另一束碳絲束時,，該區(qū)域的厚度將增加一倍。使用CFC,，可以減少擠出的熱塑性塑料,，同時仍然沉積碳纖維，從而減少該區(qū)域的塑料量,。

反過來,，這增加了所謂的“纖維體積比”，相對于復(fù)合材料的總體積而言,，存在的纖維增強量,。較高的纖維體積比通常意味著改善的機械性能。因此,，由于這些碳纖維以3D打印的晶格結(jié)構(gòu)縱橫交錯,，因此纖維體積比和強度均增加。

在航空航天領(lǐng)域,，工程師尋求的纖維體積比率最高為60％左右,。但是，使用其他碳纖維3D打印技術(shù)時,，該比率接近30％至40％,。沒有晶格結(jié)構(gòu)，CFC可以達到約45％,，在碳纖維重疊的點上,，該比率增加了一倍，即比傳統(tǒng)復(fù)合材料更強,。

在編織碳纖維中,，多層單向纖維交錯交錯以模擬各向同性，最終以犧牲多余材料為代價提供全向強度,。但是,，使用CFC時，僅在必要時可以增加材料和強度,。因此,，這家公司強調(diào)碳纖維的各向異性是一種優(yōu)點，而不是一種弱點,，這項目技術(shù)被命名為“ Anisoprint”,。

Anisoprint已經(jīng)推出了其生產(chǎn)規(guī)模的CFC系統(tǒng),。該系統(tǒng)具有600 mm x 420 mm x 300 mm的構(gòu)建體積，該系統(tǒng)具有可打印PEEK和PEI的加熱構(gòu)建室,，并且可以進行自動化校準和其他生產(chǎn)質(zhì)量功能,。借助四個可互換的打印頭，除碳纖維外,，它還將能夠結(jié)合不同的復(fù)合材料,。該系統(tǒng)還將配備用于優(yōu)化晶格結(jié)構(gòu)打印的軟件。

實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的3D打印
美國初創(chuàng)公司AREVO最近的發(fā)展勢頭迅猛,。2020年6月初,，AREVO宣布，他們已經(jīng)開始建設(shè)一個世界上最大的高速連續(xù)碳纖維增強聚合物復(fù)合材料增材制造工廠,，以制造即服務(wù)的模式來運營,，規(guī)模化快速生產(chǎn)定制產(chǎn)品,。連續(xù)碳纖維增強聚合物復(fù)合材料的強度重量比是鋼的60倍以上,，可用于專業(yè)級自行車、一級方程式賽車和最新一代戰(zhàn)斗機等產(chǎn)品,。

AREVO甚至聲稱,，“在碳纖維自行車車架領(lǐng)域，隨著3D打印技術(shù)的進步,，成本結(jié)構(gòu)將發(fā)生轉(zhuǎn)變,；三年后，中國工廠碳纖維自行車車架的手工制造將被淘汰,！”

Arevo公司利用其專利軟件算法,、碳纖維材料和機器人3D打印技術(shù)，實現(xiàn)復(fù)合材料部件生產(chǎn)的制造即服務(wù),。相關(guān)人員表示：“我們的系統(tǒng)完全省去了手工勞動和烘箱固化的步驟,，通過我們的軟件和全自動機器人3D打印機，我們可以快速制造碳纖維制品,�,！�

傳統(tǒng)的復(fù)合材料自行車車架，需要18個月的時間來設(shè)計和投入生產(chǎn),；但連續(xù)纖維3D打印技術(shù)可以將時間縮減到幾周,。車架制造商通過打樣試錯，建立超過20次的設(shè)計迭代,。當他們確定一個設(shè)計時,，就手工制造一個原型車，騎上去，然后改變設(shè)計,；如此重復(fù),。工廠制造的復(fù)合材料車架是由27到30個不同的零件手工制作而成，最后粘合在一起,。而Arevo的系統(tǒng),，所有的設(shè)計工作，包括分析和優(yōu)化,，都可以通過軟件來完成的,，大大降低研發(fā)成本；同時3D打印一個整體單一部件,，連續(xù)纖維智能放置在車架內(nèi),，提供前所未有的結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性。

Arevo還在研究其他一些應(yīng)用,，包括自行車和滑板車的車輪。用于運輸包裹的商用無人機制造商對復(fù)合材料的輕量化很感興趣,，還有網(wǎng)球拍和溜冰鞋（用于連接金屬葉片和靴子的結(jié)構(gòu)）在內(nèi)的運動設(shè)備制造商,。航空航天、建筑和汽車領(lǐng)域等其他戰(zhàn)略應(yīng)用也在開發(fā)中,。

此外,，2021年1月，致力于將復(fù)合材料3D打印自行車和電動自行車商業(yè)化的公司,，已經(jīng)出貨了第一輛自行車,。這是一個重要的里程碑，因為它是首批投放市場的連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印消費產(chǎn)品之一,。

面向復(fù)雜或精密結(jié)構(gòu)的連續(xù)纖維3D打印技術(shù)
美國南卡羅來納大學(xué)航空航天創(chuàng)新與研究中心的研究人員與TIGHITCO和英格索機床公司合作,，開發(fā)了用于高度專業(yè)化和要求苛刻產(chǎn)品的連續(xù)纖維增強3D打印技術(shù)。該技術(shù)是一種熔融長絲制造（FFF）方法,，團隊已開發(fā)出了熱塑性復(fù)合長絲和機器人3D打印系統(tǒng),。系統(tǒng)將由英格索生產(chǎn)，使用配備有連續(xù)纖維沉積末端執(zhí)行器以及西門子控制系統(tǒng)的工業(yè)機器人平臺,，提供七個自由度,。團隊開發(fā)技術(shù)的宗旨是，不希望用大型打印頭打印需要大量后處理的大型圖案,，而是僅需最少后處理的打印,。

團隊認為該技術(shù)非常適合三種應(yīng)用。首先是航空應(yīng)用中的小批量制造,，例如每架無人機或小型航空器僅需要一個特定高強度組件的應(yīng)用,，使得模具或芯軸難以成本劃算。其次是高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu),，比如加強網(wǎng)格,，利用其他制造方法無法產(chǎn)生所需的強度質(zhì)量比和剛度質(zhì)量比,。第三種是套印，這是一種在打印過程中插入組件并由此完全嵌入打印零件中的技術(shù),，可以實現(xiàn)零件整合,。

套印的例子包括在螺紋嵌入圈周圍打印,，而不是通過打印后處理來添加它,；或者在打印零件中嵌入RFID芯片或電子傳感器。自動絲束鋪放（AFP）的機身僅具有最小程度的集成,，許多較小的部件用螺栓固定,。而這項技術(shù)的亮點在于,，如果使用熱塑性塑料制造復(fù)合材料零件,，每次就是通過套印重新熔化以增加新部件,。消除鉚釘,、緊固件和粘接劑可以顯著改善這些航空結(jié)構(gòu),。

連續(xù)復(fù)合材料公司是連續(xù)纖維增強3D打印的先驅(qū),，2012年獲得了全球最早的工藝專利——CF3D。公司預(yù)計有一天該技術(shù)將用于按需打印整架飛行器結(jié)構(gòu)——無論是10件還是10000件,，因為它具有充分的經(jīng)濟性。CF3D使用快速固化熱固性樹脂（雖然也適用于熱塑性塑料）,，將增強纖維浸漬在打印頭內(nèi)，并在材料沉積后立即固化復(fù)合材料,。熱固性材料使該工藝能夠在自由空間中執(zhí)行高速打印。應(yīng)用CF3D技術(shù)的纖維體積可達到50-60％,，而公司正在以多種方式繼續(xù)推進該工藝。最近的一個重要進展包括更加自動化的工具路徑生成,；自動化的工具更換，可在同一部件上實現(xiàn)高分辨率單通道和高沉積多通道打印,；提高的機器人準確性和精度,；開發(fā)具有更高力學(xué)性能的材料,。

意大利復(fù)合材料公司的連續(xù)纖維制造（CFM）工藝與CF3D相似,，也已經(jīng)達到早期采用和開發(fā)階段（技術(shù)成熟度等級5）。CFM技術(shù)旨在解決使用熱固性樹脂進行3D打印的挑戰(zhàn),，并已成功地用環(huán)氧樹脂,、丙烯酸和乙烯基酯打印連續(xù)玻璃纖維增強復(fù)合材料。紫外線（UV）是moi印刷技術(shù)的主要固化工藝,，但該工藝也適用于其他固化和后固化機制——這是碳纖維應(yīng)用所必需的,，因為碳的不透明性和黑色干擾紫外線固化,。

總結(jié)和展望
3D打印碳纖維增強高分子，尤其是連續(xù)碳纖維增強熱塑性高分子,，在輕量化,、高性能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的低成本、高效率制造有巨大潛力,。連續(xù)纖維3D打印技術(shù)正在隨著3D打印機的創(chuàng)新而迅速崛起，它即可以用于大批量生產(chǎn)復(fù)合材料零件,，也可以打印特別有挑戰(zhàn)性的特征，比如高度復(fù)雜的幾何形狀或者需要極其精密制造的關(guān)重特性,。可以預(yù)見，隨著該技術(shù)的成熟和大規(guī)模推廣應(yīng)用,，將進一步促進航空制造業(yè)探索以3D打印方式批量生產(chǎn)無人機,、復(fù)雜航空結(jié)構(gòu)以及制造工裝,，開啟航空復(fù)合材料發(fā)展的新浪潮,。

從技術(shù)上來說,，對于短碳纖維增強高分子,，F(xiàn)DM和SLS有成熟的原材料和技術(shù)，下一步的關(guān)鍵是提升打印的精度和部件整體的力學(xué)性能,。對于連續(xù)纖維3D打印技術(shù)還存在兩個主要問題：一是纖維含量低,，且打印層之間的分層可能性高；二是缺乏標準化的連續(xù)工具路徑生成商業(yè)軟件,。下一步的關(guān)鍵是結(jié)合機器人等自動化輔助設(shè)備，開發(fā)適合于連續(xù)纖維的制造平臺,，實現(xiàn)多維度的纖維取向的基礎(chǔ)上,，充分發(fā)揮3D打印的優(yōu)勢,，通過創(chuàng)新的設(shè)計實現(xiàn)性能和成本的最優(yōu)化。

整體上,，今后3D打印碳纖維增強材料的大批量應(yīng)用,，關(guān)鍵在于材料技術(shù),、加工技術(shù),、加工速度和質(zhì)量、成本控制四個方面的創(chuàng)新和發(fā)展,。未來,，隨著這些問題的解決，該技術(shù)依托靈活開放,、高速高效,、低成本且生產(chǎn)完全自動化等優(yōu)勢，必將會與傳統(tǒng)復(fù)合材料制造技術(shù)產(chǎn)生競爭,。