連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印技術(shù)現(xiàn)狀及展望*

張 聘，王奉晨，李玥萱，莊悅希，丁守嶺，鄒 斌

（1.中國航空工業(yè)集團(tuán)有限公司濟(jì)南特種結(jié)構(gòu)研究所，濟(jì)南 250104；2.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250012；3.山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250012；4.快速制造國家工程研究中心山東大學(xué)增材制造研究中心，濟(jì)南 250012）

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 （Fiber reinforced plastic，F(xiàn)RP）因其輕量化、高強(qiáng)度和高度自由的材料特性，以及可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)一直受到航空、航天和汽車等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和關(guān)注[1]。傳統(tǒng)纖維復(fù)材的制備工藝[2]存在工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長、需要模具或切削加工等問題?；诓牧峡衫鄯e特性的3D 打印方法則為纖維增強(qiáng)復(fù)材構(gòu)件的快速和高效制造提供了技術(shù)途徑。3D 打印技術(shù)又稱增材制造 （Additive manufacturing，AM）技術(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的切削加工等去除材料的制造方法，它是基于材料的可累積特性，以零件的三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)控制材料堆積來制造所需的實(shí)體原型或零件[3–4]。在過去的20 年內(nèi)，金屬、陶瓷及聚合物等材料均已成功應(yīng)用于不斷發(fā)展的增材制造技術(shù)，材料種類也不斷拓展，包括復(fù)合材料和功能梯度材料 （FGM）等新材料。其中，聚合物因其設(shè)計(jì)靈活性、易用性和成本效益低等優(yōu)點(diǎn)在 3D 打印中很受歡迎。與聚合物及其復(fù)合材料相關(guān)工藝類型有以下幾種形式[5–6]：熔融沉積成型 （Fused deposition modeling，F(xiàn)DM）[7]、選區(qū)激光燒結(jié) （Selective laser sintering，SLS）[8]、選區(qū)激光熔融 （Selective laser melting，SLM）[9]、黏結(jié)劑噴射（Binder jetting）[10]和薄材疊層 （Sheet lamination）[11]。目前所有可用于聚合物的3D 打印技術(shù)中，屬于材料擠出工藝的熔融沉積成型 （FDM）由于成本低和操作簡單，被認(rèn)為是所有3D打印技術(shù)中使用最為廣泛的技術(shù)[12]。此外，由于打印原料多為連續(xù)的樹脂基絲材，使得熔融沉積成型技術(shù)與連續(xù)纖維特性具有良好的匹配性，從而獲得更加廣泛和相對(duì)成熟的研究。FDM-3D 打印技術(shù)與連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)合，極大拓寬了FDM-3D 打印的工業(yè)應(yīng)用范圍，同時(shí)也為連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備賦予了高材料利用率、高設(shè)計(jì)自由度、低成本低能耗、快速高效和可成型個(gè)性化復(fù)雜形狀等增材優(yōu)勢(shì)。

目前針對(duì)連續(xù)纖維的FDM-3D打印，按照所使用連續(xù)纖維絲材是否經(jīng)過預(yù)浸處理、纖維打印噴頭是否含切斷功能及噴頭數(shù)目等條件已發(fā)展了許多技術(shù)方案，在此基礎(chǔ)上，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FDM-3D 打印的成型機(jī)理、成型工藝以及成型件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和綜合性能也得到了廣泛研究。FDM 工藝制備連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料雖能滿足易設(shè)計(jì)和快速制造的要求，但依然存在打印材料受限、成型件纖維含量低、力學(xué)性能較傳統(tǒng)制造件低、層間結(jié)合差和內(nèi)部缺陷多等問題，因此，這都成為FRP-3D 打印的研究熱點(diǎn)。

本文圍繞連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增材制造技術(shù)研究，對(duì)其打印工藝、綜合性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納總結(jié)，闡述纖維增強(qiáng)復(fù)材3D 打印的技術(shù)原理、研究重點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)，重點(diǎn)總結(jié)以往研究在材料設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、機(jī)理探究等方面的成果，并對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行討論，以推動(dòng)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D 打印技術(shù)的發(fā)展。

1 概述

目前，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D 打印技術(shù)方案多是基于材料擠出的熔融沉積成型工藝發(fā)展而來，其熱塑性樹脂絲材經(jīng)送絲機(jī)構(gòu)送至加熱區(qū)熔融擠出，同時(shí)整個(gè)打印噴頭和成型平臺(tái)按照預(yù)設(shè)路徑運(yùn)動(dòng)，材料層層堆積直至完成整個(gè)零件成型。

按照打印時(shí)連續(xù)纖維是實(shí)時(shí)預(yù)浸 （纖維干絲）還是預(yù)先預(yù)浸（樹脂包裹纖維），F(xiàn)DM–3D 打印技術(shù)主要有兩種代表性的打印方法，如圖1 所示。

圖1 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FDM-3D 打印技術(shù)原理Fig.1 Principles of FDM-3D printing technology for CFRP

（1）以纖維干絲為用料。通過改進(jìn)噴頭結(jié)構(gòu)使纖維干絲在噴頭內(nèi)浸潤樹脂后共擠出，因纖維干絲無法傳遞擠出力，因此依靠熔融樹脂流動(dòng)以及已擠出固化的纖維牽引而擠出。日本東京理科大學(xué)和國內(nèi)西安交通大學(xué)較早開展此類研究[13–14]。

（2）以預(yù)浸纖維為用料。因預(yù)浸纖維具備一定剛度可以傳遞擠出力，可通過送絲機(jī)構(gòu)將連續(xù)纖維材料擠出，同時(shí)設(shè)置切斷機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)纖維排布路徑的自由配置。美國Markforged公司推出Mark one 和Mark two 打印機(jī)[15]。國內(nèi)山東大學(xué)也基于此技術(shù)研發(fā)了3D 打印設(shè)備[16]。

2 研究現(xiàn)狀

連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料3D 打印技術(shù)極大程度上提高了聚合物的綜合性能，為連續(xù)纖維復(fù)合材料的快速、高效和高自由度制造提供了可能，已獲得了廣泛的關(guān)注和深入的研究，因此其在打印用料、制備工藝、成型件性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面都有長足的發(fā)展。

2.1 打印用料

2.1.1 基體材料

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D 打印中使用的聚合物基體可分為熱固性聚合物和熱塑性聚合物。熱固性聚合物在固化后由于分子交聯(lián)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和強(qiáng)度，但是一旦固化就不可回收利用，因此FDM-3D 打印中使用較少。熱塑性聚合物在特征溫度以上具有良好流動(dòng)性和易加工成型等特點(diǎn)；在特征溫度以下具有物理、機(jī)械性能好，尺寸穩(wěn)定性高，可作結(jié)構(gòu)材料使用等特點(diǎn)，在FDM-3D 打印中被廣泛使用[17]。如圖2 所示，熱塑性聚合物按照性能可分為4 類[18]，其中常見的熱塑性聚合物包括聚乳酸 （PLA）、丙烯腈–丁二烯–苯乙烯 （ABS）、聚碳酸酯 （PC）和聚醚醚酮 （PEEK）等。

圖2 熱塑性聚合物分類及常見材料性能[18]Fig.2 Classification of thermoplastic polymers and common material properties[18]

PLA 熱穩(wěn)定性好，具有良好的生物降解性，代謝產(chǎn)物無毒無害[19–20]，是公認(rèn)的環(huán)境友好材料，因其良好的生物相容性，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被用作植入物[21–22]。ABS 是FDM–3D 打印使用的普遍材料，在20 世紀(jì)50 年代被引入，是作為苯乙烯–丙烯腈（SAN）共聚物的一種更嚴(yán)格的替代品[23–24]。但在強(qiáng)度方面距離工業(yè)需求仍有一定差距，研究人員開展了許多研究以改善ABS 機(jī)械性能方面的不足，如通過在ABS 絲材內(nèi)添加氧化石墨烯（GO）制備復(fù)合材料絲材，打印試驗(yàn)表明，通過添加GO 可以提高ABS的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量[25]。聚酰胺（PA）是應(yīng)用最廣泛的低密度和低成本普通工程塑料之一，因其具備良好的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨耐腐蝕特性而獲得廣泛應(yīng)用，如汽車工業(yè)、化工設(shè)備和家用電器零件。隨著對(duì)耐高溫和生物相容性要求的不斷提高，PEEK等先進(jìn)聚合物也用于FDM-3D 打印，以滿足航空航天和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域不斷提高的需求。

2.1.2 纖維增強(qiáng)材料

（1）天然纖維。

根據(jù)纖維材料的獲得方式可分為天然纖維和合成纖維兩種，常用的天然纖維有黃麻纖維、椰殼纖維和木材纖維等。Zhang 等[26]采用超高分子量聚乙烯纖維為增強(qiáng)體，高密度聚乙烯為基體，研究了打印溫度對(duì)3D打印復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，UHMWPE 纖維的拉伸性能在熔融溫度附近出現(xiàn)峰值，最佳拉伸強(qiáng)度為300 MPa，楊氏模量為8 GPa，如果打印溫度低于UHMWPE纖維的熔點(diǎn)，則層與層之間的結(jié)合較弱，基體與纖維束之間的浸漬性較差。相比之下，在打印溫度超過UHMWPE 纖維的熔點(diǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)生松弛。Matsuzaki 等[13]以PLA 為基體，碳纖維及黃麻纖維作為增強(qiáng)材料，測(cè)試了復(fù)合材料的拉伸模量與強(qiáng)度，分別為19 GPa 和185.2 MPa，分別為PLA 試件的599%和435%，說明加入連續(xù)碳纖維使PLA 的力學(xué)性能得到了極大的改善。

（2）合成纖維。

合成纖維主要有碳纖維[27]、玻璃纖維[28–29]和凱夫拉纖維[28，30–31]等。碳纖維具有高剛度和高強(qiáng)度，是3D 打印復(fù)合材料的最常用增強(qiáng)材料，在航空航天及交通領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[32–34]。玻璃纖維相對(duì)便宜，且表現(xiàn)出相當(dāng)好的機(jī)械性能，因此也常用作3D 打印復(fù)合材料的增強(qiáng)材料[35]。凱夫拉纖維因其輕質(zhì)和耐沖擊的特性，常被用于輕質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的3D 打印[36]。

2.2 打印工藝研究

2.2.1 打印溫度

打印溫度是影響FDM-3D 打印復(fù)合材料性能的重要因素，特別是對(duì)于連續(xù)纖維復(fù)合材料來說，纖維噴頭的溫度影響增強(qiáng)纖維的浸漬質(zhì)量。當(dāng)打印溫度升高時(shí)，機(jī)械特性也會(huì)升高，因?yàn)槿廴诘牟牧吓c已沉積層間黏結(jié)效果更好。然而，過高的打印溫度會(huì)降低試樣的打印精度。因此，打印溫度的選擇應(yīng)兼顧零件尺寸精度及機(jī)械特性。Wang 等[37]研究了打印溫度對(duì)CGFRC–PLA 復(fù)合材料質(zhì)量的影響 （圖3（a）），研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)打印溫度在210～220 ℃范圍內(nèi)時(shí)，打印效果更好，CGFRC–PLA 復(fù)合材料具有最佳的機(jī)械性能；當(dāng)溫度高于220 ℃時(shí)噴嘴易堵塞，CGFRF–PLA不能正常擠出和打印。Chen 等[38]研究了打印溫度對(duì)GF/PLA 復(fù)合材料的影響 （圖3（b）），發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，根據(jù)研究結(jié)果，提高溫度可以增強(qiáng)機(jī)械特性。然而，當(dāng)打印溫度超過210 ℃時(shí)，很難保持樣品的尺寸穩(wěn)定性，尤其是在樣品的邊緣。Wang等[39]探究了打印溫度對(duì)FDM-3D打印CF/Pb50Sn50 復(fù)合材料形貌的影響 （圖3（c）），研究發(fā)現(xiàn)打印溫度為255 ℃時(shí)材料流動(dòng)性差，熔融材料在纖維表面的鋪展不均勻，當(dāng)溫度升高時(shí)這一現(xiàn)象會(huì)有所改善，打印溫度為265 ℃時(shí)，噴嘴內(nèi)基質(zhì)的流動(dòng)性適當(dāng)，打印質(zhì)量最好。Tian 等[14]研究了打印溫度對(duì)FDM-3D 打印CF/PLA 復(fù)合材料的影響 （圖3（d）），結(jié)果表明，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和模量隨著溫度的升高而增加，同時(shí)隨著打印溫度的提高，打印精度下降，因此建議的最高打印溫度為230 ℃。

圖3 不同打印溫度的復(fù)合材料試樣Fig.3 Composite specimens with different printing temperatures

2.2.2 打印速度

高打印速度可以帶來更高的生產(chǎn)效率，但是試樣的精度及性能也會(huì)受到一定的影響，掌握打印速度對(duì)理解構(gòu)件形性創(chuàng)成規(guī)律、提高打印件的綜合性能、獲得更高的生產(chǎn)效率都具有重要的意義，為此很多學(xué)者開展了研究。Wang 等[37]研究了打印速度對(duì)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PLA 復(fù)合材料的影響 （圖4（a）），研究結(jié)果表明，當(dāng)打印速度為300～500 mm/min 時(shí)，纖維可以牢固地黏合到底層基體材料上；隨著打印速度的提高，打印質(zhì)量變差，這是由于當(dāng)打印速度過快時(shí)，CGFRF–PLA 無法在打印噴嘴的加熱區(qū)域短時(shí)間內(nèi)同時(shí)達(dá)到高黏度狀態(tài)，導(dǎo)致與底層基體材料的黏合效果差，降低打印質(zhì)量。Tian 等[14]研究了打印速度對(duì)CF/PLA 復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度的影響，當(dāng)材料進(jìn)給速度從60 mm/min 提高到80 mm/min 時(shí)，抗彎強(qiáng)度顯著提升，隨著進(jìn)給速率的進(jìn)一步提高，彎曲強(qiáng)度沒有進(jìn)一步提高。Chen 等[38]測(cè)試了不同打印速度下打印樣品的機(jī)械性能 （圖4（b）），隨著打印速度的提高，打印樣品的所有機(jī)械性能都降低了。這主要是因?yàn)殡S著打印速度的增加，留在噴嘴中的絲材長度縮短，導(dǎo)致完全浸漬的時(shí)間不足，同時(shí)PLA 不能及時(shí)完全熔融，導(dǎo)致絲材與已沉積復(fù)合材料層之間的界面結(jié)合不良；此外，高打印速度也會(huì)導(dǎo)致打印零件邊緣不均勻。Wang 等[39]研究了打印速度對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響，研究結(jié)果表明，隨著打印速度的提高，抗拉強(qiáng)度先增大后降低，達(dá)到最大值236.7 MPa，且隨著打印速度的提高，斷裂模式轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔眩估瓘?qiáng)度與應(yīng)力–應(yīng)變曲線如圖4（c）和（d）所示。

圖4 不同打印速度的試樣及其抗拉強(qiáng)度和應(yīng)力–應(yīng)變曲線Fig.4 Specimens with different printing speeds and their tensile strength and stress – strain curves

2.2.3 打印層厚

層厚是3D 打印工藝的一個(gè)特征參數(shù)，它對(duì)普通FDM 打印件的制造精度、效率和機(jī)械性能非常重要，對(duì)于CFR–PLA 復(fù)合材料來說，層數(shù)的不同有可能改變制造試樣的碳纖維含量，層數(shù)增加可在試樣內(nèi)添加更多的連續(xù)纖維，因此層厚的選擇對(duì)于CFR–PLA復(fù)合材料更為重要。Wang 等[37]研究了打印層厚對(duì)FDM-3D 打印CGFRC–PLA 復(fù)合材料拉伸性能的影響 （圖5（a）），研究表明，CGFRC–PLA 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著打印層高度的降低而增加，且隨著添加的連續(xù)碳纖維含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度增加。Tian 等[14]研究了層厚對(duì)CF/PLA 材料彎曲強(qiáng)度的影響：當(dāng)層厚為0.3 mm 時(shí)，最大抗彎強(qiáng)度可達(dá)240 MPa；當(dāng)層厚從0.4 mm 變?yōu)?.6 mm 時(shí)，復(fù)合材料試樣的抗彎強(qiáng)度略有下降；隨著層厚0.7 mm 和0.8 mm時(shí)試樣抗彎強(qiáng)度的大幅下降，綜合考慮復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度及制造效率，建議的層厚值范圍為0.4 ～ 0.6 mm。Chen 等[38]也研究了層厚對(duì)連續(xù)碳纖維復(fù)合PLA 材料力學(xué)性能的影響（圖5（b）），研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的力學(xué)性能與層厚度呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)層厚較小時(shí)（0.5 mm），復(fù)合材料試樣的抗彎、沖擊和層間抗剪強(qiáng)度均達(dá)到最大值，分別為328 MPa、155 kJ/m2和 14 MPa。盡管如此，在工業(yè)應(yīng)用中不能一味地選擇小層厚，應(yīng)同時(shí)考慮生產(chǎn)效率，以及選擇合適的打印層厚。

圖5 不同打印層厚試樣斷面顯微形貌Fig.5 Microscopic morphologies of specimens with different printing layer thicknesses

2.2.4 纖維排布

當(dāng)纖維含量一定時(shí)，纖維排布形式對(duì)復(fù)合材料的增強(qiáng)程度不同，F(xiàn)DM-3D 打印技術(shù)制備連續(xù)纖維復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)之一就是能控制纖維的排布方向，因此許多學(xué)者利用FDM-3D 打印研究了纖維取向及排布對(duì)復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度的影響。在纖維取向方面，González-Estrada 等[40]以玻璃纖維為增強(qiáng)材料測(cè)試?yán)w維呈0°/45°交替排布及纖維呈90°排布對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，纖維呈0°/45°交替排布時(shí)復(fù)材具有更高的拉伸強(qiáng)度，纖維呈90°排布時(shí)拉伸模量更高。Pyl 等[41]討論了纖維排布角度對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，纖維排布對(duì)復(fù)材拉伸強(qiáng)度的增強(qiáng)為： 0°排布> 0°/90°交替排布> 0°/90°/±45°交替排布>±45°交替排布；當(dāng)纖維呈0°、0°/90°交替、0°/90°/±45°交替排布時(shí)失效應(yīng)變幾乎相同，而纖維呈±45°交替時(shí)試樣失效應(yīng)變約為其他樣品的4 倍。在纖維排布方式上，Mohammadizadeh 等[42]使用碳纖維、玻璃纖維和Kevlar 纖維來增強(qiáng)尼龍基復(fù)合材料，研究了纖維同心和同向兩種不同排布形式對(duì)復(fù)合材料的影響，結(jié)果表明，纖維同向排布時(shí)復(fù)合材料顯示出比以纖維同心排布更高的拉伸、彎曲強(qiáng)度和模量。Araya-Calvo 等[43]則對(duì)同心和同向排布的PA6/CF 復(fù)合材料的壓縮和彎曲強(qiáng)度展開了試驗(yàn) （圖6（a）），發(fā)現(xiàn)具有纖維同心排布的復(fù)合材料具有更好的壓縮和彎曲性能。Yu 等[44]的研究也發(fā)現(xiàn)，纖維同向排布時(shí)復(fù)合材料顯示出比纖維同心排布更高的彎曲強(qiáng)度（圖6（b））。

圖6 連續(xù)纖維同向排布和同心排布Fig.6 Isotropic and concentric continuous fiber arrangement

2.3 力學(xué)性能研究

2.3.1 拉伸性能

Goh 等[35]采用FDM-3D 打印技術(shù)制備了連續(xù)碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，研究了其微觀結(jié)構(gòu)特征及打印后復(fù)合材料的拉伸性能，并對(duì)每個(gè)測(cè)試試樣的斷裂行為進(jìn)行了評(píng)估和詳細(xì)討論。碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料分別在5.2%和6.2%應(yīng)變時(shí)，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加呈線性增加，而后突然斷裂，表明復(fù)合材料具有脆性。碳纖維試樣的最大抗拉強(qiáng)度和楊氏模量分別為600 MPa 和12 GPa。玻璃纖維的最大抗拉強(qiáng)度和楊氏模量分別為450 MPa 和7 GPa。Justo等[45]報(bào)道，纖維體積分?jǐn)?shù)為40%的CF/PA 復(fù)合材料的拉伸模量和強(qiáng)度分別為68 GPa 和701 MPa，而纖維體積分?jǐn)?shù)為50%的 GF/PA 的拉伸模量和強(qiáng)度分別為26 GPa 和575 MPa，表明CF 的增強(qiáng)性能優(yōu)于GF。Hao 等[46]基于FDM-3D 打印技術(shù)研究了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能，所得纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別為792.8 MPa和161.4 GPa，彎曲強(qiáng)度和彈性模量分別為202.0 MPa 和143.9 GPa，這些新型打印熱固性復(fù)合材料的力學(xué)性能優(yōu)于同類連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料和3D 打印短碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。Heidari-Rarani 等[47]使用FDM-3D 打印技術(shù)制備了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PLA 復(fù)合材料，當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)為28.2%和纖維呈0°排布時(shí)材料拉伸強(qiáng)度61 MPa、抗彎強(qiáng)度152 MPa，與純PLA 零件相比分別增加了37%和109%。Yang 等[48]生產(chǎn)了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)ABS 復(fù)合材料，當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和纖維呈0 °排布時(shí)，復(fù)材抗彎強(qiáng)度127 MPa、抗拉強(qiáng)度147 MPa，分別是純ABS 部件的1.5 倍和3 倍。

2.3.2 剪切性能

連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。Caminero 等[49]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)從大約27%增加到73%時(shí)，連續(xù)碳纖維復(fù)合PA 材料的剪切強(qiáng)度從22 MPa 提升至31 MPa，連續(xù)玻璃纖維復(fù)合PA 材料的剪切強(qiáng)度從13 MPa 提升至21 MPa，連續(xù)凱夫拉纖維復(fù)合PA 材料的剪切強(qiáng)度從13 MPa 提升至14 MPa。Zhuang 等[50]測(cè)試了不同纖維種類及排布對(duì)于連續(xù)纖維復(fù)合材料剪切性能的影響，研究結(jié)果表明，剪切性能會(huì)隨著纖維含量增加而有所提高，纖維0°排布的零件剪切性能普遍好于纖維90°排布；對(duì)試件剪切應(yīng)力的增強(qiáng)程度：玻璃纖維>碳纖維>凱夫拉纖維。Iragi 等[51]研究了FMD-3D 打印CCF/PA 復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度以及缺陷和制造限制對(duì)力學(xué)強(qiáng)度的影響，研究結(jié)果表明，隨著纖維含量的增加復(fù)合材料的面內(nèi)剪切強(qiáng)度增加，而層間剪切強(qiáng)度則有大幅下降，在纖維含量高時(shí)試樣內(nèi)部存在大量空隙、纖維分布不均勻以及纖維和層之間黏合不良等缺陷，這些由于添加纖維引起的缺陷是力學(xué)強(qiáng)度下降的主要原因。

2.3.3 彎曲性能

Goh 等[35]對(duì)制備的連續(xù)碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)材零件分別進(jìn)行了彎曲測(cè)試，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的最大彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為430 MPa 和38 GPa，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的最大彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為149 MPa 和14 GPa，均約為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度和模量的40%。Mei 等[28]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)GF 體積分?jǐn)?shù)從8%增加到10%時(shí)，GF/PA 的彎曲模量由3 GPa 提高至4 GPa，強(qiáng)度由166 MPa 提高至197 MPa。當(dāng)KF體積分?jǐn)?shù)從8%增加到10%時(shí)，KF/PA 復(fù)合材料的彎曲模量由4 GPa 提高至6 GPa，強(qiáng)度由107 MPa 提高至126 MPa。Araya-Calvo 等[43]研究了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PA6 時(shí)纖維排布形狀、打印方向及纖維含量對(duì)壓縮和彎曲力學(xué)性能的影響，研究表明，當(dāng)碳纖維體積比為0.2444 時(shí)，壓縮模量最大，為2.102 GPa，比例極限壓應(yīng)力為53.3 MPa；同時(shí)研究了纖維體積比對(duì)纖維抗彎性能的影響，當(dāng)碳纖維體積比為0.4893 時(shí)，彎曲模量最大，為14.17 GPa，比例極限彎曲應(yīng)力為231.1 MPa，此外，制造過程中產(chǎn)生的層間的間隙是樣品失效的重要因素。

2.4 其他性能研究

連續(xù)纖維提升了復(fù)合材料力學(xué)性能的同時(shí)，也對(duì)復(fù)材的電學(xué)、熱學(xué)等性能產(chǎn)生了影響，學(xué)者們通過向聚合物材料中添加不同材質(zhì)的連續(xù)纖維，并調(diào)整連續(xù)纖維的排布及含量等，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料的功能性改變。Yin 等[52]提出了一種具有電子干擾屏蔽功能的復(fù)合材料的制備方法，采用FDM-3D 打印工藝制備了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料 （圖7（a）），結(jié)果表明，可通過調(diào)整纖維層數(shù)、路徑間距離和纖維填充角度控制復(fù)合材料的可控屏蔽效果。Yin 等[53]還利用FDM-3D 打印制備了一種具有良好電鏡吸收和屏蔽性能的復(fù)合材料超材料結(jié)構(gòu) （圖7（b）），試驗(yàn)表明復(fù)合材料結(jié)構(gòu)屏蔽效果大于63 dB，有助于提高復(fù)雜電磁環(huán)境下的防御生存能力，具有巨大的應(yīng)用潛力。

圖7 連續(xù)纖維對(duì)復(fù)合材料熱電性能的影響Fig.7 Effect of continuous fiber on thermoelectric properties of composite materials

除了上述提到的電磁特性外，連續(xù)碳纖維的壓阻特性是一個(gè)在增材制造領(lǐng)域通常被忽視的重要固有特性，能在傳感元件的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中起到作用。Luan 等[54]使用自制的雙噴頭FDM-3D 打印機(jī)制備連續(xù)碳纖維復(fù)合材料，基于碳纖維絲束的機(jī)電行為建立了一個(gè)智能傳感網(wǎng)格模型以識(shí)別變形場(chǎng)的分布，并根據(jù)電阻隨應(yīng)變的斜率變化程度，檢測(cè)到微觀損傷和宏觀損傷 （圖7（c））。Mizukami 等[55]介紹了由連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制成的用于振動(dòng)衰減的局部共振聲學(xué)超材料（圖7（d）），利用FDM-3D 打印技術(shù)制備了由晶胞組成的超材料樣品，測(cè)量了試樣的振動(dòng)傳遞率，并與有限元分析計(jì)算的頻率響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明低透射率的頻率范圍與數(shù)值分析結(jié)果吻合較好，連續(xù)纖維增強(qiáng)聲學(xué)超材料可以同時(shí)獲得高剛度和出色的振動(dòng)衰減性能。

3 研究展望

3.1 混雜連續(xù)纖維復(fù)合材料3D 打印

根據(jù)Mei 等[28]的研究，3D 打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別比尼龍?zhí)岣吡?.3 倍和5 倍，同時(shí)碳纖維在增強(qiáng)效果方面優(yōu)于玻璃纖維和Kevlar 纖維。Caminero 等[49]在對(duì)上述3 種連續(xù)纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料3D 打印樣品的沖擊強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維增強(qiáng)尼龍樣品具有更高的沖擊強(qiáng)度，而碳纖維增強(qiáng)尼龍?jiān)嚇拥臎_擊強(qiáng)度更低，與純尼龍相似。上述對(duì)3D 打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)材的研究表明，添加纖維增強(qiáng)相可以不同程度地提高打印件的力學(xué)性能。然而，添加單一種類纖維通常難以獲得綜合性能的提升，有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致其他性能的下降。

在傳統(tǒng)復(fù)合材料制造中，為了擺脫單一纖維特性對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的限制，可以通過使用兩種或兩種以上不同的纖維制備具有更好設(shè)計(jì)自由度和更優(yōu)異力學(xué)性能的混雜纖維復(fù)合材料。混雜纖維復(fù)合材料的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、混雜效應(yīng)和力學(xué)性能研究一直受到學(xué)者們的關(guān)注[56]。目前，對(duì)3D 打印混雜連續(xù)纖維復(fù)合材料的研究很少。Huang 等[57]利用Mark Two 打印機(jī)通過在不同打印層設(shè)置不同種的纖維來制備混雜連續(xù)纖維復(fù)合材料 （圖8（a）），并通過設(shè)計(jì)碳纖維層和玻璃纖維層的比例，研究了混合連續(xù)碳–玻璃纖維復(fù)合材料的偽延展性響應(yīng)，得到了具有類韌性金屬拉伸破壞行為的偽延展性混雜碳/玻纖復(fù)合材料，如圖8（b）和（c）所示，其對(duì)復(fù)合材料的破壞預(yù)警具有重要價(jià)值。通過同樣的設(shè)備和方法，Wang 等[58]通過對(duì)3D 打印的混合連續(xù)碳/凱夫拉纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料樣品進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓痕測(cè)試并分析其失效機(jī)理 （圖8（d）和（e）），證明與非混雜復(fù)合材料相比，兩種不同纖維的混合顯著提高了混合復(fù)合材料的能量吸收能力。與以上通過層間混雜纖維方法不同，Akmal 等[59]通過將凱夫拉纖維和碳纖維干絲在噴頭處混合共擠出制備了絲間混雜連續(xù)纖維復(fù)合材料 （圖9），并開展了拉伸、三點(diǎn)彎曲和沖擊試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，與單種纖維復(fù)合材料相比，所設(shè)計(jì)的混雜纖維復(fù)合材料具有更優(yōu)異的強(qiáng)度和能量吸收能力；與單一碳纖維復(fù)合材料相比，混雜復(fù)合材料的抗裂性提高了91%以上。

圖8 3D 打印層間混雜連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料Fig.8 3D printed interlaminar hybrid continuous fiber reinforced thermoplastic composite

圖9 3D 打印絲內(nèi)混雜連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料[59]Fig.9 Principles of FDM-3D printing technology for CFRTP[59]

上述創(chuàng)新性研究驗(yàn)證了3D 打印混雜連續(xù)纖維復(fù)合材料的可行性，并展示了3D 打印在制造具有優(yōu)異和平衡力學(xué)性能的混雜連續(xù)纖維復(fù)合材料方面的巨大潛力。然而，目前關(guān)于3D 打印混雜連續(xù)復(fù)合材料的研究尚處于初期階段，成形機(jī)理和影響因素等研究尚屬空白。關(guān)于3D打印混雜纖維復(fù)材工藝與材料匹配性尚未有更深入的研究，如目前仍缺乏利用3D 打印制備層間混雜連續(xù)纖維復(fù)合材料的深入研究。這說明，混雜連續(xù)纖維復(fù)合材料3D 打印在設(shè)備開發(fā)、制備工藝與機(jī)理、應(yīng)用驗(yàn)證方面有很大的研究價(jià)值，3D 打印混雜纖維復(fù)合材料也因其極高的材料性能可設(shè)計(jì)性和優(yōu)異的綜合性能展現(xiàn)出很好的研究潛力。

3.2 多自由度連續(xù)纖維復(fù)合材料3D 打印及其路徑規(guī)劃研究

普通三軸3D 打印機(jī)通過Z方向逐層堆疊而制備的打印件存在Z向結(jié)合力弱的問題，也難以勝任具有廣泛應(yīng)用場(chǎng)景的大型連續(xù)纖維復(fù)合材料曲面薄壁件的制造。因此，開發(fā)多自由度3D 打印設(shè)備并設(shè)計(jì)合理路徑規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料Z向增強(qiáng)的有效途徑之一。段嘉奇等[60]設(shè)計(jì)搭建了五軸3D 打印設(shè)備用于連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的Z向路徑打印 （圖10（a）），通過空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)打印試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)備功能和五軸3D 打印連續(xù)纖維復(fù)合材料的可行性，為連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料五軸3D 打印的實(shí)現(xiàn)提供了有效方案。然而，該研究設(shè)計(jì)的零件未能很好體現(xiàn)五軸3D 打印的空間路徑規(guī)劃優(yōu)勢(shì)，Liu 等[61]使用普通三軸3D 打印機(jī)經(jīng)過路徑規(guī)劃研究也可以打印出類似的結(jié)構(gòu)，如圖10（b）所示，利用擠出的連續(xù)纖維絲材具有一定剛度的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了細(xì)長的打印噴嘴，避免噴嘴與桁架干擾的同時(shí)提高了纖維的浸漬效果，打印制備了四面體、金字塔形和八角桁架等不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的空間晶格結(jié)構(gòu)。Zhang 等[62]通過對(duì)生成G 代碼的模型進(jìn)行曲線路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)了五軸3D 打印機(jī)連續(xù)打印曲面亞麻纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料部件 （圖11（a）），研究顯示，與平面切片相比，3D 打印曲面連續(xù)纖維復(fù)合材料試件的最大彎曲力載荷和剛度分別提高了39%和115%。Yao 等[63]提出了一種基于機(jī)械臂提高強(qiáng)度的多軸3D 打印方案 （圖11（b）），設(shè)計(jì)了一種多自由度連續(xù)路徑規(guī)劃方法，提高了打印零件的強(qiáng)度和表面質(zhì)量；該方法可以充分利用多軸機(jī)械臂，在高曲率的表面上實(shí)現(xiàn)平滑打印并避免過程中的階梯效應(yīng)和碰撞；試驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)的平面切片方法相比，打印的拉伸強(qiáng)度提高了22% ～ 167%。

圖10 3D 打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料空間晶格桁架結(jié)構(gòu)Fig.10 3D printed continuous fiber reinforced composite space lattice truss structure

圖11 多自由度連續(xù)纖維復(fù)合材料3D 打印設(shè)備及其曲面成型件Fig.11 Continuous fiber reinforced composite material five-axis 3D printing equipment and its formed parts

上述研究為多自由度連續(xù)纖維3D 打印提供了兩種有效方案，即基于五軸機(jī)床和機(jī)械臂。多自由度打印可為普通三軸3D 打印解決Z向強(qiáng)度低的痛點(diǎn)，同時(shí)也為應(yīng)用廣泛的大型曲面薄壁FRP 構(gòu)件提供了快速高效、高質(zhì)量的制造方案。無論如何，高端多自由度連續(xù)纖維3D 打印裝備開發(fā)與制造存在廣闊前景，其空間打印路徑規(guī)劃也極具研究價(jià)值。

4 結(jié)論

輕質(zhì)/高強(qiáng)連續(xù)纖維復(fù)合材料對(duì)降低航空航天飛行器成本，提高飛行性能至關(guān)重要。近年來，航空航天等領(lǐng)域?qū)τ趶?fù)合材料零件的快速高效、個(gè)性化制備要求不斷提高，連續(xù)纖維復(fù)合材料3D 打印技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。

（1）連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D 打印工藝相對(duì)成熟，但由于當(dāng)前工藝特點(diǎn)限制，成型件層間結(jié)合性能低和內(nèi)部缺陷多的問題尚未得到較好解決。此外，大多創(chuàng)新性原理僅存在于理論研究，尚缺乏應(yīng)用驗(yàn)證研究。

（2）3D 打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能相較于純樹脂打印件獲得顯著提升，但與傳統(tǒng)制造方法成型件仍有差距?；w材料多為普通樹脂，增強(qiáng)材料多為單種連續(xù)纖維，限制了材料的綜合性能提升和推廣應(yīng)用。許多基于材料開發(fā)的性能提升研究尚處試驗(yàn)階段，而不能更廣泛地工程應(yīng)用。

（3）連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多自由度3D 打印研究尚屬于初期階段，缺乏深入的空間連續(xù)纖維路徑規(guī)劃研究，未能充分發(fā)揮多自由度制造優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)以上問題，應(yīng)結(jié)合增材制造工藝特點(diǎn)和連續(xù)纖維復(fù)合材料特性進(jìn)行更深入的研究。首先，針對(duì)成型材料設(shè)計(jì)，通過引入特種工程樹脂作為基體材料和混雜連續(xù)纖維作為增強(qiáng)材料，開展基于性能和功能要求的混雜纖維絲材研發(fā)，有望獲得可設(shè)計(jì)的綜合性能顯著提升的3D 打印復(fù)材構(gòu)件，同時(shí)基于3D 打印工藝特點(diǎn)的混雜纖維排布設(shè)計(jì)，進(jìn)一步研究3D 打印工藝下的混雜效應(yīng)和增強(qiáng)機(jī)理。其次，針對(duì)成型工藝開發(fā)，為解決傳統(tǒng)三軸打印件3D 打印件層間結(jié)合性能的問題，開展基于機(jī)械臂和五軸機(jī)床等設(shè)備進(jìn)行連續(xù)纖維復(fù)材打印研究，噴頭干涉–構(gòu)件性能約束下的空間路徑規(guī)劃研究，有望實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維復(fù)合材料構(gòu)件Z向增強(qiáng)，為打印件性能提升和大型曲面結(jié)構(gòu)制造提供技術(shù)支撐。最后，針對(duì)成型機(jī)理研究，基于增材制造工藝的材料設(shè)計(jì)–成型件性能關(guān)系進(jìn)行多尺度模擬和高精度預(yù)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)研究，進(jìn)而開展基于零件形狀–性能要求耦合約束的連續(xù)纖維空間路徑規(guī)劃研究，為連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)材構(gòu)件的多自由度增材制造提供理論依據(jù)。