羅盟：連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用趨勢(shì)

在2024增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇暨增材制造產(chǎn)業(yè)年會(huì)論壇上，深圳協(xié)同創(chuàng)新高科技發(fā)展有限公司副總經(jīng)理 羅盟先生,，做了題為“連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用趨勢(shì)”的報(bào)告。


<連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用趨勢(shì)>
羅盟：尊敬的各位專家,、各位來(lái)賓,，大家下午好！
今天很高興在這里就連續(xù)纖維目前還沒有聽到這樣一個(gè)主題和報(bào)告做一個(gè)分享,。其實(shí)我們現(xiàn)在行業(yè)里面增材制造大家討論最多的其實(shí)是金屬或者說(shuō)剛才馬總提到的一些非金屬方向,，像以連續(xù)纖維為代表的非金屬材料這種具有很強(qiáng)的一個(gè)高強(qiáng)輕質(zhì)的特性材料很少出現(xiàn)這樣的會(huì)場(chǎng)，比較主流的一些舞臺(tái)上,。
近十年的發(fā)展時(shí)間里面,，連續(xù)纖維才真正進(jìn)入大家的視野，一點(diǎn)點(diǎn)星星之火燃燒到現(xiàn)在國(guó)內(nèi)我們可以用自己的裝備,，用自己的材料,、軟件打出一片天地的現(xiàn)狀。
今天的話我的報(bào)告內(nèi)容比較多的,，可能在時(shí)間的限制下會(huì)必須快的過一下,，從4個(gè)方面首先連續(xù)纖維的發(fā)展背景，技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的情況,，以及連續(xù)纖維當(dāng)前在我國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)情況的分析到最后我們連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印未來(lái)發(fā)展到底在哪里,？
首先背景，增材制造整體背景,，前面各位前輩專家都已經(jīng)講過了包括增材制造的特點(diǎn)大家都很熟悉,，其實(shí)我在這里還想講的一個(gè)美國(guó)國(guó)防部還有公司在國(guó)外有大量的增材制造材料和樣件引用的使用，這些使用過程中有大量的包括3D打印修復(fù)套件,，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的修復(fù)維修,，同時(shí)全面推廣3D打印航空航天等部件為代表的輕量化制造的終端產(chǎn)品，3D打印航天級(jí)復(fù)合材料成為挑戰(zhàn)材料極限非常中西的一個(gè)方式,。
比如說(shuō),，我們復(fù)合材料里面既然是復(fù)合一定是多種材料的集成，那么纖維部分，最核心的就是我們的碳纖維,，那么在非金屬機(jī)體部分,，用到ESD這種材料，和碳纖維進(jìn)行整體的復(fù)合,，無(wú)論是力學(xué)性能,、耐高溫、抗腐蝕性達(dá)到非常好的效果,，可以承受比如說(shuō)高真空,、熱循環(huán)等等的一些極端考驗(yàn)。
那么在我們里有一個(gè)預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù),，可以看到左上角的這樣一個(gè)圖,，按照美國(guó)復(fù)合材料增材制造的一個(gè)官方數(shù)據(jù)，在2023年它的全年的這樣一個(gè)整體的市場(chǎng)規(guī)模中復(fù)合材料增材制造7.85億美元,，其中包含三大部分主要的構(gòu)成,，分別是硬件比如說(shuō)裝備、材料對(duì)于終端的服務(wù),，依然以設(shè)備,、硬件為主的他的占比最高的，那么隨著這個(gè)占比不斷往前推進(jìn),，那么預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)下2033年,，我們的硬件和服務(wù)基本持平，分別是29.36億美元和29.28億美元這樣的數(shù)據(jù)對(duì)比,。
我們美國(guó)有一家公司在做3D打印已經(jīng)輻射到大量的應(yīng)用場(chǎng)景當(dāng)中,，也是國(guó)內(nèi)急需推廣和學(xué)習(xí)的點(diǎn)。剛才這張圖的話?cǎi)R總報(bào)告里面也提到了,，技術(shù)滲透率不足0.1%,，行業(yè)第三方報(bào)告，也是行業(yè)人共知的,，跳出過程中成型的這樣一個(gè)特性,，研發(fā)小批量、定制化,、復(fù)雜結(jié)構(gòu),，這所有的一切都是3D打印的刻板印象，真正可以滲透到終端一定是和終端產(chǎn)品直接結(jié)合,，剛才上一個(gè)報(bào)告中有一個(gè)很好的名詞,，我們之前叫做大規(guī)模制造，然后現(xiàn)在慢慢的從大規(guī)模制造轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)模定制,，這個(gè)發(fā)展路徑非常有意思的。
那么隨著我們?cè)诤娇蘸教爝�有軌道交通等等領(lǐng)域的復(fù)合材料的這樣一個(gè)不斷的探索，新的工藝,、新的材料體系逐漸完善起來(lái),，在我們國(guó)內(nèi)的應(yīng)用端不斷體現(xiàn)出來(lái)，那么復(fù)合材料用量成為衡量當(dāng)前我們這樣一些重要的工業(yè)裝備先進(jìn)性的核心標(biāo)準(zhǔn)之一,。
傳統(tǒng)的復(fù)合材料制造中比如說(shuō)我們列了部分的,，我們很難擺脫比如說(shuō)模具制造或者梯度化這樣的一些特征，那么在這里我們連續(xù)纖維3D打印不是做替代的,，是做補(bǔ)充的,，主要補(bǔ)充在哪些地方呢？對(duì)于熱塑性復(fù)合材料這樣的需求點(diǎn),，具有回收,、焊接、復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形,、避免模具和梯度化成型的特點(diǎn)下實(shí)現(xiàn)對(duì)于先進(jìn)制造和工藝方法等的系統(tǒng)探究,。
那么在2014年的時(shí)候，當(dāng)時(shí)在西安交通大學(xué)我們團(tuán)隊(duì)提出我們國(guó)內(nèi)有沒有自己可以做的連續(xù)纖維材料3D打印工藝,，當(dāng)時(shí)很簡(jiǎn)單看到這個(gè)圖最基本,，最基礎(chǔ)的原始圖，我們將熱塑性的樹脂  材料和纖維通過過程中的溫度控制和壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)分布排布,，實(shí)現(xiàn)過程化成型從而形成我們的三維實(shí)體,，這個(gè)過程中其實(shí)我們的速度很慢，我們纖維含量比較低,，即使這樣的一個(gè)比較簡(jiǎn)單的一個(gè)工藝想法,，讓我們當(dāng)時(shí)在非金屬材料特別是塑料的這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的力學(xué)性能從最早大家認(rèn)知里面的百兆帕級(jí)別一下上升到三百四百，到現(xiàn)在超千兆帕,。
這個(gè)過程中有了三方面的技術(shù)發(fā)展和調(diào)整,，分別是第一部分是我們的材料成型類別，就是從我們?cè)瓉?lái)的短纖增強(qiáng)的材料發(fā)展為連續(xù)纖維,，我們復(fù)合材料的工藝,，我們之前的話進(jìn)行直接的復(fù)合結(jié)合，現(xiàn)在發(fā)展到了直接打印,。第三種我們的成型方式,。我們對(duì)于復(fù)合材料整體進(jìn)展大概做一個(gè)介紹，第一個(gè)就是我們現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)多重界面形成多工藝協(xié)同強(qiáng)化機(jī)理,，最大含量超60%,，最大的力學(xué)強(qiáng)度超千兆帕以上，而且這個(gè)千兆帕的力學(xué)性能不是最佳的力學(xué)性能,，有很大的提升空間,，意味著不斷逼近于我們傳統(tǒng)制造的很多復(fù)合材料的力學(xué)性能需求。
第三個(gè)開發(fā)對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維多自由度打印的方法，這個(gè)方法過程中,，很重要的一點(diǎn)就是,，我們能夠跳出從宏觀層面來(lái)講，這樣的一個(gè)平面鋪層式的方式帶來(lái)的增強(qiáng)力學(xué)性能極差的問題,，提供了一個(gè)很好的解決思路,，那么在這個(gè)過程中，你比如說(shuō)通過結(jié)構(gòu)的拓?fù)�,，纖維的曲線設(shè)計(jì),，到曲面或者曲線的纖維的成型，可以從設(shè)計(jì)端到制造端形成一個(gè)三位一體的打通,。
那么這樣的一些設(shè)計(jì),，包括我們對(duì)于一些細(xì)胞單元的設(shè)計(jì)，纖維在內(nèi)部的排布,，可以從介觀到宏觀的擴(kuò)展,，最后形成對(duì)于未來(lái)可能比如說(shuō)某些程度應(yīng)用下不能說(shuō)各項(xiàng)同性避免多個(gè)方向的過于異性的性能，可以做一個(gè)有效的屏蔽,。
這個(gè)是我們開展關(guān)于連續(xù)纖維,，我們課題組很重要的一個(gè)研究方向，其中還有針對(duì)于這種超材料,、超結(jié)構(gòu)的阻抗疲憊,，包括引伸這樣的一些研究，增材制造連續(xù)纖維打印,，短纖打印有一個(gè)很大的特點(diǎn)就是我們可以既可以發(fā)揮材料的優(yōu)勢(shì),，同時(shí)將結(jié)構(gòu)過程中實(shí)現(xiàn)我們這樣一個(gè)最終的需求性能。
這個(gè)是另外一個(gè)探索,，針對(duì)機(jī)翼的傳感,，變形的一個(gè)檢測(cè)和預(yù)防控制的研究。這里面主要的成型方式也是通過我們的連續(xù)纖維來(lái)做的一個(gè)主體成型,。除此之外我們也適配于復(fù)合材料,，特別是連續(xù)纖維打印，當(dāng)前做到平面和曲面的一些軟件的算法和界面開發(fā),，實(shí)現(xiàn)了我們對(duì)于剛才說(shuō)的平面的打印上的一個(gè)路徑規(guī)劃,，然后包括我們曲面打印上的一個(gè)路徑規(guī)劃算法的研究。
截至目前我們研究層面上做了很多探索,，包括高校階段到企業(yè)階段,，在企業(yè)這邊的話我們現(xiàn)在已經(jīng)開始從PLA低于兩百攝氏度打印溫度的樹脂到四百攝氏度以上的高熔點(diǎn)樹脂全面的覆蓋，我們對(duì)于成因效率,、內(nèi)部缺陷控制,，成型穩(wěn)定性有極大的提高,。
在過我們討論下面三層的問題，打印速度,、綜合力學(xué)性能和溫度精度控制,，研究推入產(chǎn)業(yè)化的階段的時(shí)候，其實(shí)我們的客戶特別是國(guó)內(nèi)的連續(xù)性復(fù)材的客戶端永遠(yuǎn)討論上面三個(gè)問題,，下面三個(gè)問題托底的，上面三個(gè)問題代表上限的,，材料軟件開源性,，材料覆蓋性，上游國(guó)產(chǎn)材料的適配性,，到最后無(wú)論零部件還是材料的國(guó)產(chǎn)化率都是非常重要方面的一些問題,，從2014年到2017年開始做一些研究性的樣機(jī)投入市場(chǎng)，直到在2020年的時(shí)候我們把陜西這部分的產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)落到了深圳協(xié)同創(chuàng)新高科技發(fā)展有限公司也是現(xiàn)在所在的公司開始,，我們形成了一系列的一個(gè)產(chǎn)品型號(hào),，和我們的軟件配合滿足低溫到高溫，從平面成型到曲面成型的多維度需求完善國(guó)產(chǎn)化3D打印的設(shè)備和軟件的整體上的序列,。
這個(gè)是我們的一些應(yīng)用,，在汽車、航空,、自行車等等方面的應(yīng)用的一些部分零件介紹,，這部分今天在這個(gè)報(bào)告里面還有第三部分關(guān)于國(guó)內(nèi)現(xiàn)在的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)狀，這個(gè)是對(duì)于我們行業(yè)的一個(gè)分析,，我們是通過關(guān)鍵詞和關(guān)鍵點(diǎn)的一些檢索,，搜索，然后輸入之后,，我們國(guó)內(nèi)目前的3D打印的首臺(tái)設(shè)備的推出在2010年推出的,，西安交大我們課題組推出的，2024年開始在各種終端應(yīng)用場(chǎng)景露臉了,，整個(gè)發(fā)展過程中,，我們按照數(shù)據(jù)的這樣一個(gè)增長(zhǎng)我們分為三個(gè)階段，第一個(gè)階段我們的萌芽期,，這個(gè)是非常微少的,，這個(gè)時(shí)候大家還沒有意識(shí)到連續(xù)纖維3D打印可以做什么東西，等我們到了第二階段的時(shí)候這個(gè)時(shí)間高校,、科研院所大量開展的去進(jìn)行相應(yīng)的一些工藝設(shè)備這樣的一些部件上的專利的申請(qǐng)2015年三部委發(fā)布的國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃中3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展上升到了國(guó)家戰(zhàn)略層面,，所以這個(gè)時(shí)候，新的材料體系和新工藝的這樣一個(gè)結(jié)合,，救災(zāi)這個(gè)時(shí)候形成了一個(gè)初期的探索型的爆發(fā),。
到了第三階段的2019年至今,，我們進(jìn)入了一個(gè)行業(yè)的第一個(gè)穩(wěn)定期，這個(gè)穩(wěn)定期代表性的就是2021年工信部發(fā)改委8部門聯(lián)發(fā)十四五智能制造發(fā)展規(guī)劃中提出3D打印重要任務(wù),，各高�,？蒲性核�依然是主體，但是我們注意的是,，隨著總量申請(qǐng),，企業(yè)申請(qǐng)比例大大增加了，所以下一個(gè)階段的專利申請(qǐng)我們即將步入以企業(yè)為主體,，具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性的產(chǎn)品專利爆發(fā)期,。
這個(gè)是我們這一階段主要的申請(qǐng)團(tuán)隊(duì)的一些的一個(gè)介紹和特點(diǎn)，那么同樣分析了每個(gè)階段我們主體申請(qǐng)的這樣一個(gè)專利的類別,，比如說(shuō)第一階段,，我們核心針對(duì)的是機(jī)體材料類型的擴(kuò)展，復(fù)合材料界面優(yōu)化和成型精度,，第二階段我們跳過了第一階段零探索周期之后,，我們主要提升在設(shè)備相關(guān)的專利申請(qǐng)上的，也就是說(shuō)載體在2015年-2019年第二階段成為了我們重點(diǎn)討論的話題,，也就是說(shuō)我們的3D打印機(jī),，第三階段這個(gè)時(shí)期技術(shù)發(fā)展逐漸趨于清晰了，還是與設(shè)計(jì)相關(guān)的,，設(shè)備相關(guān)的專利為主,，但是同時(shí)生產(chǎn)工藝的專利申請(qǐng)有所上升，生產(chǎn)工藝相關(guān)的專利上升其實(shí)能體現(xiàn)出的問題從設(shè)備,、材料的早期探索開始和我們的終端應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行密切的配合和結(jié)合了,。
所以，3D打印中國(guó)專利的一個(gè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)核心就是圍繞在我們材料依然走在路上,，設(shè)備也還是我們當(dāng)前的主體,，但是我們圍繞終端打印的需求在不斷的增強(qiáng)和加深。
最后是我們連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印目前自己內(nèi)部對(duì)接的客戶,，包括行業(yè)里面對(duì)接的需求,，比如說(shuō)航空航天，對(duì)于復(fù)雜構(gòu)建的一體化結(jié)構(gòu)這個(gè)也是我們最早合作的應(yīng)用領(lǐng)域,，我們的低空經(jīng)濟(jì)快速的迭代和升級(jí),，然后到我們汽車工業(yè)生產(chǎn)成本的一個(gè)降低，再到我們的具身智能圍繞我們的機(jī)器人這樣的輕度化,，梯度化供應(yīng)集成和智能化的發(fā)展階段,，最后到我們的以人體工學(xué)為主的體育器材的連續(xù)纖維復(fù)材3D打印。
連續(xù)纖維3D打印有很多的難點(diǎn)和問題,，材料,、國(guó)產(chǎn)化材料的材料匹配穩(wěn)定性,，再到我們的連續(xù)纖維以打印和傳統(tǒng)制造的纖維含量的上限到底區(qū)別有多大再到現(xiàn)在對(duì)于剛才提到的性能對(duì)于整體3D打印來(lái)講，特別是連續(xù)纖維復(fù)材料是無(wú)法逾越的鴻溝,，最后我們的設(shè)計(jì)仿真能力的這樣一個(gè)上游技術(shù)能不能和我們下游形成一個(gè)有效端口對(duì)接都是我們非常重要的課題,。
以上就是我的報(bào)告，歡迎行業(yè)專家,、領(lǐng)導(dǎo)有問題可以和我們一起進(jìn)行探討溝通,，謝謝大家。