編者按：本文來自微信公眾號(hào)“靖哥3D打印”（ID:gh_d599e1b42ab3）作者：羅盟博士，3D打印資源庫經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

3D打印領(lǐng)域不斷的推出金屬、陶瓷和聚合物等各種新材料，以滿足應(yīng)用端性能的諸多需求。然而，如同傳統(tǒng)制造領(lǐng)域所經(jīng)歷的，很多應(yīng)用需求并不是單化學(xué)組分的材料能夠滿足，也很難經(jīng)濟(jì)的、有效的通過單化學(xué)組分新材料開發(fā)的方式得以實(shí)現(xiàn)，而復(fù)合材料針對(duì)這一需求應(yīng)運(yùn)而生。

復(fù)合材料，是多組分材料的有機(jī)結(jié)合，能夠綜合表現(xiàn)其不同組分材料所共有的一些優(yōu)勢(shì)，是1+1>2的一種復(fù)合。復(fù)合材料工藝能夠根據(jù)應(yīng)用所需對(duì)材料性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)需求選擇材料的組合。而3D打印的復(fù)合材料，在傳統(tǒng)復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)之上，更是從疊加了基因中遺傳的3D打印所專長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)靈活性。本期介紹的是復(fù)合材料中的連續(xù)纖維復(fù)合材料，以3D打印為制造平臺(tái)。

靖哥有幸邀請(qǐng)到了羅盟博士，為大家共同解讀3D打印的連續(xù)纖維復(fù)合材料。

【作者簡(jiǎn)介】
羅盟 博士：2020年畢業(yè)于西安交通大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位。博士研究生期間，參與多項(xiàng)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，主要開展了以連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮（CCF/PEEK）復(fù)合材料為代表的典型高熔點(diǎn)樹脂基復(fù)材3D打印工藝和裝備研發(fā)。目前主要研究領(lǐng)域?yàn)椋簾崴苄詮?fù)材增材制造、多工藝融合快速成型等。

背景
2020年12月18日，中國工程院《全球工程前沿2020》報(bào)告在北京發(fā)布，9個(gè)領(lǐng)域的184項(xiàng)全球工程前沿技術(shù)揭開面紗，其在和增材制造直接相關(guān)的工程前沿包括兩項(xiàng)。分別是化工、冶金與材料工程領(lǐng)域提出的“重大裝備核心大構(gòu)件低成本高品質(zhì)增材制造”工程開發(fā)前沿以及機(jī)械與運(yùn)載工程領(lǐng)域提出的“連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造”工程研究前沿。

2020年5月7日，中國央視新聞網(wǎng)以《我國成功完成首次太空“3D打印”》為題，報(bào)道了國際上的首次在軌艙內(nèi)連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印，其中“我國自主研制的復(fù)合材料3D打印系統(tǒng)”字樣令國人一時(shí)振奮。

而連續(xù)纖維復(fù)合材料增材制造（3D打?。┘夹g(shù)，憑借著獨(dú)特的科技魅力實(shí)現(xiàn)了在短短六七年時(shí)間里從誕生到多方矚目的蛻變。本文將圍繞該技術(shù)進(jìn)行工藝原理、應(yīng)用前景及面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行一一介紹。

（一）工藝原理

目前連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印主要有兩種類型。一種是以美國Markforged的Mark one設(shè)備為代表的熱塑性樹脂與預(yù)浸絲雙線打印模式；另一種便是2014年西安交通大學(xué)田小永研究團(tuán)隊(duì)提出的熱塑性樹脂與連續(xù)纖維實(shí)時(shí)復(fù)合擠出的單線打印模式[1]。

雙線模式：設(shè)備有兩個(gè)相互獨(dú)立的打印噴頭，一個(gè)負(fù)責(zé)熱塑性樹脂的擠出，而另一個(gè)負(fù)責(zé)連續(xù)纖維預(yù)浸絲的擠出，從而實(shí)現(xiàn)外輪廓和內(nèi)填充的并行以及精度和性能的兼顧。

單線模式：設(shè)備僅有一個(gè)打印噴頭，熱塑性樹脂通過一定的絲材推力被送入高溫熔融腔，與通過纖維導(dǎo)管進(jìn)入的連續(xù)纖維干絲束或預(yù)浸絲束在熔融腔內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)復(fù)合，而后從唯一的打印噴頭擠出并按照預(yù)設(shè)路徑排布冷卻成形，如圖1所示。

圖1 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印（單線模式）

（二）技術(shù)特點(diǎn)

a）相比短纖增強(qiáng)復(fù)合材料的絕對(duì)性能優(yōu)勢(shì)
如圖2所示，通過文獻(xiàn)分析[2-8]，3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能顯著高于3D打印短纖增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能。雖然力學(xué)性能和纖維含量依然明顯低于傳統(tǒng)制造，但其針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型靈活性卻大大提升。因此可以認(rèn)為，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印技術(shù)是傳統(tǒng)鋪放和纏繞技術(shù)向復(fù)雜結(jié)構(gòu)靈活一體化制造的技術(shù)革新，也是短纖增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印向更高性能應(yīng)用不斷推進(jìn)的必然結(jié)果。

圖2 不同纖維長(zhǎng)度及制造工藝下的復(fù)合材料的綜合性能

b）現(xiàn)階段具有明顯的定向應(yīng)用特征
目前，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要面向航空航天等國防領(lǐng)域，顯著的民用機(jī)能尚未被激發(fā)。在航空領(lǐng)域，連續(xù)纖維復(fù)合材料優(yōu)異的耐熱、抗腐蝕及綜合力學(xué)性能有助于提高復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性；在航天領(lǐng)域，高模量、連續(xù)輸入的絲材形態(tài)對(duì)于真空環(huán)境下的艙外在軌制造同樣至關(guān)重要。

c）針對(duì)不同材料體系的工藝技術(shù)呈現(xiàn)差異性
目前，該技術(shù)適用材料包括：
增強(qiáng)體：連續(xù)碳纖維（1K/3K）、連續(xù)凱夫拉纖維、連續(xù)玻璃纖維、連續(xù)玄武巖纖維、連續(xù)高分子聚乙烯纖維等。
基體：聚醚醚酮（PEEK）、尼龍、聚苯硫醚（PPS）、聚乳酸（PLA）等。

表1列舉了部分材料體系在該技術(shù)下的差異化特點(diǎn)，而其差異性主要取決于樹脂的溫度特性、結(jié)晶特性以及纖維的耐溫及模量特征等。其中，以PEEK為代表的超強(qiáng)工程塑料基體和連續(xù)碳纖維（CCF）的復(fù)合成形難度最大，但其優(yōu)異的性能潛力也使其所受關(guān)注度及應(yīng)用價(jià)值相對(duì)較高。

表1  現(xiàn)有3D打印連續(xù)纖維復(fù)合材料體系的差異化工藝特征

（三）功能化研究

連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印能夠最大程度地實(shí)現(xiàn)纖維作為增強(qiáng)體的增強(qiáng)潛質(zhì)，而纖維路徑及纖維含量等參數(shù)的“過程中可干預(yù)”特性進(jìn)一步推動(dòng)了該技術(shù)的多種功能化研究。

a）電磁屏蔽
為了應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的電磁環(huán)境和應(yīng)用需求，Lixian Yin等人利用連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印技術(shù)打印了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚乳酸（CCF/PLA）復(fù)合材料，并研究了其不同纖維參數(shù)設(shè)計(jì)下的電磁屏蔽性能。如圖3構(gòu)建了電磁屏蔽效能（SE）與不同打印參數(shù)間的影響關(guān)系[10]。

圖3  電磁屏蔽效能與3D打印參數(shù)間的影響關(guān)系圖

研究人員通過系統(tǒng)分析了不同纖維填充角度、纖維含量以及材料厚度下的電磁屏蔽效能，如圖4所示。從而可以實(shí)現(xiàn)通過調(diào)整打印參數(shù)來提升或者調(diào)控電磁屏蔽效能。

（a）纖維填充角度

（b）纖維含量

（c）材料厚度

圖4 不同打印參數(shù)下的CCF/PLA復(fù)合材料屏蔽效能

b）4D打印
4D打印技術(shù)可通過在材料的3D打印過程中控制其物理性能的非均質(zhì)分布，使其響應(yīng)外界刺激而產(chǎn)生自動(dòng)且可控的變形。
Qingrui Wang等人利用連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印，制備連續(xù)纖維嵌入的復(fù)合材料，并利用其兩側(cè)的熱膨脹系數(shù)差異實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境溫度下的可控變形。研究人員通過工藝參數(shù)優(yōu)化及纖維取向設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料變形的影響規(guī)律探索[11]。

圖5為不同纖維分布方式下，復(fù)合材料的溫度響應(yīng)規(guī)律，得出了纖維取向與曲面曲率的關(guān)系：當(dāng)兩列纖維在復(fù)合材料同一側(cè)時(shí)，曲面的主曲率方向?yàn)閮闪欣w維的銳角平分線方向，主曲率大小與sec2(θ/2)成正比（式中，θ為兩列纖維夾角）；當(dāng)兩列纖維在復(fù)合材料兩側(cè)時(shí)，曲面的主曲率方向與其中一列纖維方向垂直，曲面的主曲率大小與csc2θ成正比。在此基礎(chǔ)上得到了纖維取向與曲面形狀的關(guān)系，為可控變形設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

圖5 復(fù)合材料在不同溫度下的形狀變化

進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的變形設(shè)計(jì)，如圖6所示，為獲得的圓錐面、橢圓柱面、漸開線螺旋面的纖維軌跡線和變形后的形狀。

圖6(a)根據(jù)圓錐曲面求解的纖維軌跡線 (b)變形得到的圓錐曲面 (c)根據(jù)橢圓柱面求解的纖維軌跡線 (d)變形得到的橢圓柱面 (e)根據(jù)漸開線螺旋面求解的纖維軌跡線 (f)變形得到的漸開線螺旋面

c）梯度設(shè)計(jì)
利用纖維的參數(shù)可控進(jìn)行梯度的一體化設(shè)計(jì)也是該技術(shù)的一大功能化的延伸。如圖7，西安交大研究團(tuán)隊(duì)與俄羅斯科學(xué)院合作開展了帶孔板的梯度化連續(xù)纖維復(fù)合材料制造，通過結(jié)合有限元分析和連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印實(shí)現(xiàn)了帶孔板拉伸性能的顯著優(yōu)化[12]。

圖7有限元分析得到纖維軌跡分布點(diǎn)形成纖維打印路徑

如圖8所示，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也能夠更有利地實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)制造。

圖8異形連續(xù)纖維復(fù)合材料輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)

（四）面臨的挑戰(zhàn)

a）纖維含量的提高
3D打印過程中需要足量的樹脂充當(dāng)粘結(jié)劑保證層間及線間的結(jié)合強(qiáng)度，因此，很難達(dá)到許多產(chǎn)品60%纖維含量的下限要求，從而限制了該技術(shù)下復(fù)合材料制件的進(jìn)一步應(yīng)用。

b）路徑優(yōu)化方法的欠缺
不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，纖維的連續(xù)分布時(shí)既需要結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也需要路徑的配合，而目前針對(duì)連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印的路徑依然空缺，從而導(dǎo)致該技術(shù)的普及化應(yīng)用尚需時(shí)日。

c）各向異性的加劇
層層累加依然是3D打印技術(shù)的典型特征。隨著纖維的連續(xù)分布，層內(nèi)性能顯著提高，而相較此顯著的弱Z向性能就成為了制約該技術(shù)整體發(fā)展的一個(gè)核心挑戰(zhàn)。

（五）結(jié)語

3D打印技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)形成了從材料到工藝、從軟件到硬件、從平民消費(fèi)到軍工應(yīng)用的完整生態(tài)圈，環(huán)環(huán)相扣，彼此依存。而連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印也不例外，一個(gè)工藝技術(shù)的革新，已然煽動(dòng)了從材料匹配到行業(yè)應(yīng)用的風(fēng)浪，挑戰(zhàn)依然存在，但前景也尚屬光明，未來何往？或需我輩繼續(xù)砥礪前行。

參考文獻(xiàn)
[1] 田小永，楊春成等，西安交通大學(xué)，一種連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印機(jī)及其打印方法[P]，CN201410325650.3，中國。
[2] Li, Q., Zhao, W., Li, Y., et al.Flexural Properties and Fracture Behavior of CF/PEEK in Orthogonal BuildingOrientation by FDM: Microstructure and Mechanism[J]. Polymers (Basel). 2019, 11(4).
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[4] Liu Tengfei, Tian Xiaoyong, Zhang Manyu, et al. Intefacial performanceand fracture patterns of 3D printed continuous carbon fiber with sizingreinforced PA6 composites[J]. Composites Part A-Applied Science andManufacturing, 2018, 114:368-376.
[5] Meng Luo, Xiaoyong Tian, Junfan Shang, Weijun Zhu, Dichen Li, &Yingjie Qin. (2019). Impregnation and interlayer bonding behaviours of3d-printed continuous carbon-fiber-reinforced poly-ether-ether-ketonecomposites[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 121,130-138.
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[7] Xu, Z., Zhang, M., Gao, S., et al.Study on mechanical properties of unidirectional continuous carbonfiber-reinforced PEEK composites fabricated by the wrapped yarn method[J].Polymer Composites. 2017.
[8] Zhang, Y., Tao, W., Zhang, Y., et al.Continuous carbon fiber/crosslinkable poly(ether ether ketone) laminatedcomposites with outstanding mechanical properties，robustsolvent resistance and excellent thermal stability[J]. Composites Science andTechnology. 2018, 165, 148-153.
[9] ZhangHao Hou, Xiaoyong Tian, Junkang Zhang, et al. 3D printed continuousfibre reinforced composite corrugated structure[J]. Composite Structures,2018,184:1005-1010.
[10] Lixian Yin, Xiaoyong Tian, et al. Characterizations of continuous carbonfiber-reinforced composites for electromagnetic interference shieldingfabricated by 3D printing[J]. Applied Physics a-Materials Science &Processing, 2019, 125 (4): 11.
[11] Qingrui Wang,Xiaoyong Tian,Lan Huang, et al. Programmable morphing composites with embedded continuousfibers by 4D printing[J]. Materials & Design, 2018, 155:404-413.
[12] Malakhov A V , Polilov A N , Zhang J , et al. A Modeling Method ofContinuous Fiber Paths for Additive Manufacturing (3D Printing) of VariableStiffness Composite Structures[J]. Applied Composite Materials, 2020,27(3):185-208.

本文經(jīng)授權(quán)發(fā)布，不代表3D打印資源庫立場(chǎng)。如若轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者。

編者按：本文來自微信公眾號(hào)“靖哥3D打印”（ID:gh_d599e1b42ab3）作者：羅盟博士，3D打印資源庫經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

3D打印領(lǐng)域不斷的推出金屬、陶瓷和聚合物等各種新材料，以滿足應(yīng)用端性能的諸多需求。然而，如同傳統(tǒng)制造領(lǐng)域所經(jīng)歷的，很多應(yīng)用需求并不是單化學(xué)組分的材料能夠滿足，也很難經(jīng)濟(jì)的、有效的通過單化學(xué)組分新材料開發(fā)的方式得以實(shí)現(xiàn)，而復(fù)合材料針對(duì)這一需求應(yīng)運(yùn)而生。

復(fù)合材料，是多組分材料的有機(jī)結(jié)合，能夠綜合表現(xiàn)其不同組分材料所共有的一些優(yōu)勢(shì)，是1+1>2的一種復(fù)合。復(fù)合材料工藝能夠根據(jù)應(yīng)用所需對(duì)材料性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)需求選擇材料的組合。而3D打印的復(fù)合材料，在傳統(tǒng)復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)之上，更是從疊加了基因中遺傳的3D打印所專長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)靈活性。本期介紹的是復(fù)合材料中的連續(xù)纖維復(fù)合材料，以3D打印為制造平臺(tái)。

靖哥有幸邀請(qǐng)到了羅盟博士，為大家共同解讀3D打印的連續(xù)纖維復(fù)合材料。

【作者簡(jiǎn)介】
羅盟 博士：2020年畢業(yè)于西安交通大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位。博士研究生期間，參與多項(xiàng)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，主要開展了以連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮（CCF/PEEK）復(fù)合材料為代表的典型高熔點(diǎn)樹脂基復(fù)材3D打印工藝和裝備研發(fā)。目前主要研究領(lǐng)域?yàn)椋簾崴苄詮?fù)材增材制造、多工藝融合快速成型等。

背景
2020年12月18日，中國工程院《全球工程前沿2020》報(bào)告在北京發(fā)布，9個(gè)領(lǐng)域的184項(xiàng)全球工程前沿技術(shù)揭開面紗，其在和增材制造直接相關(guān)的工程前沿包括兩項(xiàng)。分別是化工、冶金與材料工程領(lǐng)域提出的“重大裝備核心大構(gòu)件低成本高品質(zhì)增材制造”工程開發(fā)前沿以及機(jī)械與運(yùn)載工程領(lǐng)域提出的“連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造”工程研究前沿。

2020年5月7日，中國央視新聞網(wǎng)以《我國成功完成首次太空“3D打印”》為題，報(bào)道了國際上的首次在軌艙內(nèi)連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印，其中“我國自主研制的復(fù)合材料3D打印系統(tǒng)”字樣令國人一時(shí)振奮。

而連續(xù)纖維復(fù)合材料增材制造（3D打?。┘夹g(shù)，憑借著獨(dú)特的科技魅力實(shí)現(xiàn)了在短短六七年時(shí)間里從誕生到多方矚目的蛻變。本文將圍繞該技術(shù)進(jìn)行工藝原理、應(yīng)用前景及面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行一一介紹。

（一）工藝原理

目前連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印主要有兩種類型。一種是以美國Markforged的Mark one設(shè)備為代表的熱塑性樹脂與預(yù)浸絲雙線打印模式；另一種便是2014年西安交通大學(xué)田小永研究團(tuán)隊(duì)提出的熱塑性樹脂與連續(xù)纖維實(shí)時(shí)復(fù)合擠出的單線打印模式[1]。

雙線模式：設(shè)備有兩個(gè)相互獨(dú)立的打印噴頭，一個(gè)負(fù)責(zé)熱塑性樹脂的擠出，而另一個(gè)負(fù)責(zé)連續(xù)纖維預(yù)浸絲的擠出，從而實(shí)現(xiàn)外輪廓和內(nèi)填充的并行以及精度和性能的兼顧。

單線模式：設(shè)備僅有一個(gè)打印噴頭，熱塑性樹脂通過一定的絲材推力被送入高溫熔融腔，與通過纖維導(dǎo)管進(jìn)入的連續(xù)纖維干絲束或預(yù)浸絲束在熔融腔內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)復(fù)合，而后從唯一的打印噴頭擠出并按照預(yù)設(shè)路徑排布冷卻成形，如圖1所示。

圖1 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印（單線模式）

（二）技術(shù)特點(diǎn)

a）相比短纖增強(qiáng)復(fù)合材料的絕對(duì)性能優(yōu)勢(shì)
如圖2所示，通過文獻(xiàn)分析[2-8]，3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能顯著高于3D打印短纖增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能。雖然力學(xué)性能和纖維含量依然明顯低于傳統(tǒng)制造，但其針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型靈活性卻大大提升。因此可以認(rèn)為，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印技術(shù)是傳統(tǒng)鋪放和纏繞技術(shù)向復(fù)雜結(jié)構(gòu)靈活一體化制造的技術(shù)革新，也是短纖增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印向更高性能應(yīng)用不斷推進(jìn)的必然結(jié)果。

圖2 不同纖維長(zhǎng)度及制造工藝下的復(fù)合材料的綜合性能

b）現(xiàn)階段具有明顯的定向應(yīng)用特征
目前，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要面向航空航天等國防領(lǐng)域，顯著的民用機(jī)能尚未被激發(fā)。在航空領(lǐng)域，連續(xù)纖維復(fù)合材料優(yōu)異的耐熱、抗腐蝕及綜合力學(xué)性能有助于提高復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性；在航天領(lǐng)域，高模量、連續(xù)輸入的絲材形態(tài)對(duì)于真空環(huán)境下的艙外在軌制造同樣至關(guān)重要。

c）針對(duì)不同材料體系的工藝技術(shù)呈現(xiàn)差異性
目前，該技術(shù)適用材料包括：
增強(qiáng)體：連續(xù)碳纖維（1K/3K）、連續(xù)凱夫拉纖維、連續(xù)玻璃纖維、連續(xù)玄武巖纖維、連續(xù)高分子聚乙烯纖維等。
基體：聚醚醚酮（PEEK）、尼龍、聚苯硫醚（PPS）、聚乳酸（PLA）等。

表1列舉了部分材料體系在該技術(shù)下的差異化特點(diǎn)，而其差異性主要取決于樹脂的溫度特性、結(jié)晶特性以及纖維的耐溫及模量特征等。其中，以PEEK為代表的超強(qiáng)工程塑料基體和連續(xù)碳纖維（CCF）的復(fù)合成形難度最大，但其優(yōu)異的性能潛力也使其所受關(guān)注度及應(yīng)用價(jià)值相對(duì)較高。

表1  現(xiàn)有3D打印連續(xù)纖維復(fù)合材料體系的差異化工藝特征

（三）功能化研究

連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印能夠最大程度地實(shí)現(xiàn)纖維作為增強(qiáng)體的增強(qiáng)潛質(zhì)，而纖維路徑及纖維含量等參數(shù)的“過程中可干預(yù)”特性進(jìn)一步推動(dòng)了該技術(shù)的多種功能化研究。

a）電磁屏蔽
為了應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的電磁環(huán)境和應(yīng)用需求，Lixian Yin等人利用連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印技術(shù)打印了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚乳酸（CCF/PLA）復(fù)合材料，并研究了其不同纖維參數(shù)設(shè)計(jì)下的電磁屏蔽性能。如圖3構(gòu)建了電磁屏蔽效能（SE）與不同打印參數(shù)間的影響關(guān)系[10]。

圖3  電磁屏蔽效能與3D打印參數(shù)間的影響關(guān)系圖

研究人員通過系統(tǒng)分析了不同纖維填充角度、纖維含量以及材料厚度下的電磁屏蔽效能，如圖4所示。從而可以實(shí)現(xiàn)通過調(diào)整打印參數(shù)來提升或者調(diào)控電磁屏蔽效能。

（a）纖維填充角度

（b）纖維含量

（c）材料厚度

圖4 不同打印參數(shù)下的CCF/PLA復(fù)合材料屏蔽效能

b）4D打印
4D打印技術(shù)可通過在材料的3D打印過程中控制其物理性能的非均質(zhì)分布，使其響應(yīng)外界刺激而產(chǎn)生自動(dòng)且可控的變形。
Qingrui Wang等人利用連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印，制備連續(xù)纖維嵌入的復(fù)合材料，并利用其兩側(cè)的熱膨脹系數(shù)差異實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境溫度下的可控變形。研究人員通過工藝參數(shù)優(yōu)化及纖維取向設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料變形的影響規(guī)律探索[11]。

圖5為不同纖維分布方式下，復(fù)合材料的溫度響應(yīng)規(guī)律，得出了纖維取向與曲面曲率的關(guān)系：當(dāng)兩列纖維在復(fù)合材料同一側(cè)時(shí)，曲面的主曲率方向?yàn)閮闪欣w維的銳角平分線方向，主曲率大小與sec2(θ/2)成正比（式中，θ為兩列纖維夾角）；當(dāng)兩列纖維在復(fù)合材料兩側(cè)時(shí)，曲面的主曲率方向與其中一列纖維方向垂直，曲面的主曲率大小與csc2θ成正比。在此基礎(chǔ)上得到了纖維取向與曲面形狀的關(guān)系，為可控變形設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

圖5 復(fù)合材料在不同溫度下的形狀變化

進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的變形設(shè)計(jì)，如圖6所示，為獲得的圓錐面、橢圓柱面、漸開線螺旋面的纖維軌跡線和變形后的形狀。

圖6(a)根據(jù)圓錐曲面求解的纖維軌跡線 (b)變形得到的圓錐曲面 (c)根據(jù)橢圓柱面求解的纖維軌跡線 (d)變形得到的橢圓柱面 (e)根據(jù)漸開線螺旋面求解的纖維軌跡線 (f)變形得到的漸開線螺旋面

c）梯度設(shè)計(jì)
利用纖維的參數(shù)可控進(jìn)行梯度的一體化設(shè)計(jì)也是該技術(shù)的一大功能化的延伸。如圖7，西安交大研究團(tuán)隊(duì)與俄羅斯科學(xué)院合作開展了帶孔板的梯度化連續(xù)纖維復(fù)合材料制造，通過結(jié)合有限元分析和連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印實(shí)現(xiàn)了帶孔板拉伸性能的顯著優(yōu)化[12]。

圖7有限元分析得到纖維軌跡分布點(diǎn)形成纖維打印路徑

如圖8所示，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也能夠更有利地實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)制造。

圖8異形連續(xù)纖維復(fù)合材料輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)

（四）面臨的挑戰(zhàn)

a）纖維含量的提高
3D打印過程中需要足量的樹脂充當(dāng)粘結(jié)劑保證層間及線間的結(jié)合強(qiáng)度，因此，很難達(dá)到許多產(chǎn)品60%纖維含量的下限要求，從而限制了該技術(shù)下復(fù)合材料制件的進(jìn)一步應(yīng)用。

b）路徑優(yōu)化方法的欠缺
不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，纖維的連續(xù)分布時(shí)既需要結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也需要路徑的配合，而目前針對(duì)連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印的路徑依然空缺，從而導(dǎo)致該技術(shù)的普及化應(yīng)用尚需時(shí)日。

c）各向異性的加劇
層層累加依然是3D打印技術(shù)的典型特征。隨著纖維的連續(xù)分布，層內(nèi)性能顯著提高，而相較此顯著的弱Z向性能就成為了制約該技術(shù)整體發(fā)展的一個(gè)核心挑戰(zhàn)。

（五）結(jié)語

3D打印技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)形成了從材料到工藝、從軟件到硬件、從平民消費(fèi)到軍工應(yīng)用的完整生態(tài)圈，環(huán)環(huán)相扣，彼此依存。而連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印也不例外，一個(gè)工藝技術(shù)的革新，已然煽動(dòng)了從材料匹配到行業(yè)應(yīng)用的風(fēng)浪，挑戰(zhàn)依然存在，但前景也尚屬光明，未來何往？或需我輩繼續(xù)砥礪前行。

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