中南大学：3D打印连续纤维增强复合材料轻质结构研究进展-公司动态-北京远达泰科技有限公司-北京远达泰科技有限公司

增材制造（AM）技术已成为先进快速制造领域最有前途的技术之一。它具有节约成本、生产效率高等优点，可用于制造形状复杂的零件。在众多增材制造方法中，熔丝制造成型技术（FFF）是使用最广泛的制造方法之一。然而，使用纯聚合物或短纤维增强聚合物打印的部件，由于力学性能相对较差，很难应用于结构件。因此，为了提高FFF打印部件的力学性能，满足承载要求，连续纤维越来越多地被引入到FFF工艺中。

       与传统制造工艺相比，3D打印技术为连续纤维增强复合材料（CFRC）的定制化设计提供了更大的自由度。如图1所示，连续纤维增强复合材料轻质结构（CFRS）在3D打印背景下的设计跨越了三个层级：制造工艺、材料和结构。CFRS的性能可以由多个变量在不同层级上进行调控。每个设计水平由多个提高整体性能的因素组成。例如，在工艺层面，通过优化3D打印的切片参数，可以设计CFRS的微观结构特征，减少制造缺陷，从而提高CFRS的力学性能。在材料层面，选择合适的纤维和基体材料来实现复合材料的协同增强，从而提高结构的综合性能。最后，在结构水平上，胞元几何形状以及填充密度对结构的力学性能也有显著的影响。因此，3D打印复合材料的多层级设计为其广泛应用提供了可能，3D打印CFRS的研究也越来越受到重视。

CFRS图1 CFRS的增材制造设计层级及制造方法

2022年，复合材料TOP期刊《Composites Part B: Engineering》发表了中南大学及法国斯特拉斯堡大学、南布列塔尼大学在3D打印连续纤维增强复合材料轻质结构方面的研究工作，论文标题为“3D Printed Continuous Fiber Reinforced Composite Lightweight Structures: A Review and Outlook”。文章结合近年来相关论文的研究成果，讨论了材料、工艺参数和结构类型等变量的二维到三维结构的多层级设计问题,介绍了结构特性对CFRS力学性能的影响及在形状变形和自监测方面的新应用。为未来的研究提供思路，以弥补先进工艺与CFRS多层级设计之间的差距，从而充分挖掘3D打印CFRS的应用潜力。本期谷.专栏，将分享这篇论文所阐述的关键内容。

Article_CFRS论文链接：

http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110450

block 3D打印CFRS的工艺

与传统的工艺要求类似，首先考虑纤维与基体的适宜性和相容性，以保证基体与纤维、层内界面以及层间的良好相互作用，从而减少制造缺陷。如图2所示，针对连续纤维增强复合材料的打印，开发了各种工艺。这些工艺一般可分为两大类。一类是基于干纤维束的原位或在线浸渍法，另一类是基于预浸丝的打印方法。

Article_CFRS_FFF图2 CFRS打印的主要FFF工艺

在原位浸渍方法中，连续的干纤维和热塑性基体按指定比例同时送入打印头（图2（a））。热塑性基体在喷嘴中被加热到熔点以上，而干纤维在进入喷嘴前被预热，然后在喷嘴内被熔融的热塑性树脂浸渍。浸渍的纤维和熔融聚合物一起从喷嘴挤出，并直接沉积固化。原位浸渍工艺由于操作方便，3D打印机价格低廉，成为了目前应用最广泛的CFRS制造方法。

与原位浸渍法一样，在线浸渍法也采用连续干纤维，干纤维在输送到打印喷嘴之前被浸渍（图2（b））。这个过程在CFRC的3D打印中是一个复杂的方法，因为它需要多个制造步骤同时发生。与使用干纤维的打印不同，纤维预浸丝的打印是采用含有聚合物基体和连续纤维的预浸渍材料（图2）（c））。这种工艺非常方便，因为它从打印过程中分离了干纤维浸渍的复杂性。

本文还研究了共挤出法打印轻质结构的工艺。共挤出打印工艺是指预浸丝与基体材料同时进料。这两种材料在喷嘴被加热，然后共挤在一起（图2（d））。同时，随着不同的预浸丝共挤技术的出现，采用热塑性预浸丝和热塑性基体相结合的方法来打印CFRC。原位固化3D打印指的是在沉积过程中，通过外部能量源对预浸丝打印结构进行在线固化处理（图2（e））。

block 现有的限制

1. 浸渍

增强纤维被基体浸渍的程度显著影响3D打印复合材料的力学性能。由于3D打印连续纤维的成型压力小，浸渍时间短，在打印过程中纤维浸渍效果难以与传统成型工艺相比。在现有的3D打印工艺中，原位浸渍工艺的浸渍问题尤为严重。如图3（a, b）所示，在结构断裂剖面中，纤维束中间表面光滑的纤维表明，在打印过程中，基体未能浸渍纤维。Wang等人也展示了3D打印碳纤维材料浸渍不良的问题，其中纤维暴露在外部，未能被基体包覆（图3（c））。相比之下，3D打印预浸丝的浸渍程度要优于原位浸渍工艺，但由于成型压力较小，仍然存在浸渍缺陷。从图3（d）中，晶格结构的边缘未被基体覆盖，纤维暴露在表面。Liu等人打印的CFRS由于浸渍不良而存在大量孔隙缺陷，尤其是在打印方向改变的位置（图3（e））。而这些浸渍缺陷是结构中的薄弱部位，容易导致结构过早的失效。