走向量产和商业化应用的复合材料3D打印

来源：荣格-《国际复材技术商情》

经过多年来的发展，增材制造技术正在对诸多行业产生深刻影响，并且有可能发展成为“第四次工业革命”。以熔融沉积（FDＭ）工艺为基础使用高分子材料的3D打印技术已经广泛用于各个领域，展现出了巨大的潜力。不需要模具、可以成型复杂形状、成型周期短等特点都是其他传统工艺无法比拟的。

△曲轴上的3D打印碳纤维复合材料连接杆

复合材料3D打印工艺的主要优势在于成本低，周期短，能实现复杂结构复合材料构建的快速制造。目前在航空航天、汽车和防卫等部门都在实施这种技术，以实现灵活开发、不同批量生产和按需交付。

例如，一家希腊的机械加工商为汽车制造了一批3D打印的碳纤维复合材料连接杆。

△打印碳纤维

短切纤维打印与连续纤维打印
在基础3D打印热塑性材料加入纤维，以碳纤维为例，目前有两种碳纤维打印方法：短切碳纤维填充热塑性塑料和连续碳纤维增强材料。其中，切碎的碳纤维填充热塑性塑料是通过标准熔融沉积（FDM）或SLS打印机进行打印的，其主要组成材料是热塑性塑料（PLA，ABS或尼龙）与细小的短切碳纤维。

对于短碳纤维增强高分子，理论上纤维长度为0.2至0.4 mm，目前FDM和SLS打印的纤维长度在5至10μm。短碳纤维的加入，可以明显提高部件的力学强度，尤其是拉伸和弯曲强度及模量；同时也提高了部件的尺寸稳定性、以及表面光洁度和精度。但是，一些短纤维增强纤维通过使材料过度饱和来提高强度。这不仅损害了零件的整体质量，而且还降低了表面质量和零件精度。

△在图一中没有分布在整个结构中 在图二中以交叉方式加固

△由于在单一方向上的热塑性沉积最少 该零件的材料更少但强度更高

连续碳纤维制造是一种独特的打印工艺，其将连续的碳纤维束铺设到标准FDM热塑性基材中。连续碳纤维才是真正的增强复合材料强度的关键。利用3D打印复合材料部件替代传统的金属部件，其优势在于可以在重量的一小部分上实现类似的强度，所以从效益上来讲，这是一种经济有效的解决方案。

高性能连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术是以连续纤维增强热塑性高分子材料，实现高性能复合材料零件直接3D打印，采用连续纤维与热塑性高分子材料为原材料，利用同步复合浸渍－熔融沉积的3D打印工艺实现复合材料制备与成形的一体化制造。使用这种方法的打印机在打印时，通过FFF挤出的热塑性塑料内的第二个打印喷嘴铺设连续的高强度纤维（例如碳纤维，玻璃纤维或凯夫拉）。从而使得增强纤维形成印刷零件的“主干”，产生坚硬、坚固和耐用的效果。

目前市场上已开发出多款连续纤维增强复合材料3D打印机，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）。所制备的碳纤维增强PA复合材料纤维体积含量达到42%时，抗弯强度达到560MPa，抗弯模量达到62GPa，是传统PLA零件的9倍左右。

目前3D打印机的类型和打印技术也开发出很多种，除了熔融沉积（FDＭ）工艺，也称为FFF（熔融线材制造）之外，还有其他类型。其中包括：CFF（连续线材制造）；ADAM（原子扩散增材制造）；SLS/SLM（选择性激光烧结/选择性激光熔化）；DLP（直接光处理）；SLA（光固化立体造型）和粘结剂喷射等。

当今，增材制造领域已经呈爆发式发展，传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而增材制造技术则可以以更快、更灵活以及更低成本的办法进行生产。而且，随着技术的发展，3D打印正逐渐走向量产化。

不断涌现的3D打印创新技术
一家俄罗斯公司向市场上推出了自己的连续碳纤维打印版本称为复合纤维共挤出（CFC）技术。

这家俄罗斯公司起源于俄罗斯航天局的一个宇宙飞船建造项目，由四位世界航空航天领域顶尖的复合材科学家于“俄罗斯硅谷”——斯科尔科沃创新中心联合创立。初创团队经过不断的探索与研究，成功地攻关了连续纤维3D打印这一世界性的技术难题，并开发出了独特的CFC复合纤维共挤技术，且顺利向市场推出了桌面级和工业级的连续纤维3D打印设备。

与CFF不同，其预浸料具有一个输入和一个输出，CFC使用两个输入和一个输出。一个输入专用于增强纤维，另一个输入用于热塑性塑料。干纤维被送入系统中，并在其中浸入液态的热固性树脂。在印刷过程中，热固性材料与传统的热塑性长丝固化并一起挤出。然后，渗透到增强纤维中的热固性基体与长丝粘合。

结果，不仅很少有机会在预浸料中引入气泡或空隙，而且还开拓了CFC可以使用的多种热塑性塑料（到目前为止，PETG，ABS，PC，PLA和PA）。还可以在CFC中控制沉积速率，以生成有趣的结构和特性，这些特性和特性是传统复合材料制造所无法实现的，例如晶格形状。在传统情况下，将一根碳丝束穿过另一束碳丝束时，该区域的厚度将增加一倍。使用CFC，可以减少挤出的热塑性塑料，同时仍然沉积碳纤维，从而减少该区域的塑料量。

反过来，这增加了所谓的“纤维体积比”，相对于复合材料的总体积而言，存在的纤维增强量。较高的纤维体积比通常意味着改善的机械性能。因此，由于这些碳纤维以3D打印的晶格结构纵横交错，因此纤维体积比和强度均增加。

在航空航天领域，工程师寻求的纤维体积比率最高为60％左右。但是，使用其他碳纤维3D打印技术时，该比率接近30％至40％。没有晶格结构，CFC可以达到约45％，在碳纤维重叠的点上，该比率增加了一倍，即比传统复合材料更强。

在编织碳纤维中，多层单向纤维交错交错以模拟各向同性，最终以牺牲多余材料为代价提供全向强度。但是，使用CFC时，仅在必要时可以增加材料和强度。因此，这家公司强调碳纤维的各向异性是一种优点，而不是一种弱点，这项目技术被命名为“ Anisoprint”。

Anisoprint已经推出了其生产规模的CFC系统。该系统具有600 mm x 420 mm x 300 mm的构建体积，该系统具有可打印PEEK和PEI的加热构建室，并且可以进行自动化校准和其他生产质量功能。借助四个可互换的打印头，除碳纤维外，它还将能够结合不同的复合材料。该系统还将配备用于优化晶格结构打印的软件。

实现商业化应用的3D打印
美国初创公司AREVO最近的发展势头迅猛。2020年6月初，AREVO宣布，他们已经开始建设一个世界上最大的高速连续碳纤维增强聚合物复合材料增材制造工厂，以制造即服务的模式来运营，规模化快速生产定制产品。连续碳纤维增强聚合物复合材料的强度重量比是钢的60倍以上，可用于专业级自行车、一级方程式赛车和最新一代战斗机等产品。

AREVO甚至声称，“在碳纤维自行车车架领域，随着3D打印技术的进步，成本结构将发生转变；三年后，中国工厂碳纤维自行车车架的手工制造将被淘汰！”

Arevo公司利用其专利软件算法、碳纤维材料和机器人3D打印技术，实现复合材料部件生产的制造即服务。相关人员表示：“我们的系统完全省去了手工劳动和烘箱固化的步骤，通过我们的软件和全自动机器人3D打印机，我们可以快速制造碳纤维制品。”

传统的复合材料自行车车架，需要18个月的时间来设计和投入生产；但连续纤维3D打印技术可以将时间缩减到几周。车架制造商通过打样试错，建立超过20次的设计迭代。当他们确定一个设计时，就手工制造一个原型车，骑上去，然后改变设计；如此重复。工厂制造的复合材料车架是由27到30个不同的零件手工制作而成，最后粘合在一起。而Arevo的系统，所有的设计工作，包括分析和优化，都可以通过软件来完成的，大大降低研发成本；同时3D打印一个整体单一部件，连续纤维智能放置在车架内，提供前所未有的结构完整性和稳定性。

Arevo还在研究其他一些应用，包括自行车和滑板车的车轮。用于运输包裹的商用无人机制造商对复合材料的轻量化很感兴趣，还有网球拍和溜冰鞋（用于连接金属叶片和靴子的结构）在内的运动设备制造商。航空航天、建筑和汽车领域等其他战略应用也在开发中。

此外，2021年1月，致力于将复合材料3D打印自行车和电动自行车商业化的公司，已经出货了第一辆自行车。这是一个重要的里程碑，因为它是首批投放市场的连续纤维增强复合材料3D打印消费产品之一。

面向复杂或精密结构的连续纤维3D打印技术
美国南卡罗来纳大学航空航天创新与研究中心的研究人员与TIGHITCO和英格索机床公司合作，开发了用于高度专业化和要求苛刻产品的连续纤维增强3D打印技术。该技术是一种熔融长丝制造（FFF）方法，团队已开发出了热塑性复合长丝和机器人3D打印系统。系统将由英格索生产，使用配备有连续纤维沉积末端执行器以及西门子控制系统的工业机器人平台，提供七个自由度。团队开发技术的宗旨是，不希望用大型打印头打印需要大量后处理的大型图案，而是仅需最少后处理的打印。

团队认为该技术非常适合三种应用。首先是航空应用中的小批量制造，例如每架无人机或小型航空器仅需要一个特定高强度组件的应用，使得模具或芯轴难以成本划算。其次是高度复杂的结构，比如加强网格，利用其他制造方法无法产生所需的强度质量比和刚度质量比。第三种是套印，这是一种在打印过程中插入组件并由此完全嵌入打印零件中的技术，可以实现零件整合。

套印的例子包括在螺纹嵌入圈周围打印，而不是通过打印后处理来添加它；或者在打印零件中嵌入RFID芯片或电子传感器。自动丝束铺放（AFP）的机身仅具有最小程度的集成，许多较小的部件用螺栓固定。而这项技术的亮点在于，如果使用热塑性塑料制造复合材料零件，每次就是通过套印重新熔化以增加新部件。消除铆钉、紧固件和粘接剂可以显著改善这些航空结构。

连续复合材料公司是连续纤维增强3D打印的先驱，2012年获得了全球最早的工艺专利——CF3D。公司预计有一天该技术将用于按需打印整架飞行器结构——无论是10件还是10000件，因为它具有充分的经济性。CF3D使用快速固化热固性树脂（虽然也适用于热塑性塑料），将增强纤维浸渍在打印头内，并在材料沉积后立即固化复合材料。热固性材料使该工艺能够在自由空间中执行高速打印。应用CF3D技术的纤维体积可达到50-60％，而公司正在以多种方式继续推进该工艺。最近的一个重要进展包括更加自动化的工具路径生成；自动化的工具更换，可在同一部件上实现高分辨率单通道和高沉积多通道打印；提高的机器人准确性和精度；开发具有更高力学性能的材料。

意大利复合材料公司的连续纤维制造（CFM）工艺与CF3D相似，也已经达到早期采用和开发阶段（技术成熟度等级5）。CFM技术旨在解决使用热固性树脂进行3D打印的挑战，并已成功地用环氧树脂、丙烯酸和乙烯基酯打印连续玻璃纤维增强复合材料。紫外线（UV）是moi印刷技术的主要固化工艺，但该工艺也适用于其他固化和后固化机制——这是碳纤维应用所必需的，因为碳的不透明性和黑色干扰紫外线固化。

总结和展望
3D打印碳纤维增强高分子，尤其是连续碳纤维增强热塑性高分子，在轻量化、高性能的复杂结构部件的低成本、高效率制造有巨大潜力。连续纤维3D打印技术正在随着3D打印机的创新而迅速崛起，它即可以用于大批量生产复合材料零件，也可以打印特别有挑战性的特征，比如高度复杂的几何形状或者需要极其精密制造的关重特性。可以预见，随着该技术的成熟和大规模推广应用，将进一步促进航空制造业探索以3D打印方式批量生产无人机、复杂航空结构以及制造工装，开启航空复合材料发展的新浪潮。

从技术上来说，对于短碳纤维增强高分子，FDM和SLS有成熟的原材料和技术，下一步的关键是提升打印的精度和部件整体的力学性能。对于连续纤维3D打印技术还存在两个主要问题：一是纤维含量低，且打印层之间的分层可能性高；二是缺乏标准化的连续工具路径生成商业软件。下一步的关键是结合机器人等自动化辅助设备，开发适合于连续纤维的制造平台，实现多维度的纤维取向的基础上，充分发挥3D打印的优势，通过创新的设计实现性能和成本的最优化。

整体上，今后3D打印碳纤维增强材料的大批量应用，关键在于材料技术、加工技术、加工速度和质量、成本控制四个方面的创新和发展。未来，随着这些问题的解决，该技术依托灵活开放、高速高效、低成本且生产完全自动化等优势，必将会与传统复合材料制造技术产生竞争。