增材制造（AM）技術(shù)已成為先進(jìn)快速制造領(lǐng)域最有前途的技術(shù)之一。它具有節(jié)約成本、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，可用于制造形狀復(fù)雜的零件。在眾多增材制造方法中，熔絲制造成型技術(shù)（FFF）是使用最廣泛的制造方法之一。然而，使用純聚合物或短纖維增強(qiáng)聚合物打印的部件，由于力學(xué)性能相對(duì)較差，很難應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件。因此，為了提高FFF打印部件的力學(xué)性能，滿足承載要求，連續(xù)纖維越來(lái)越多地被引入到FFF工藝中。

       與傳統(tǒng)制造工藝相比，3D打印技術(shù)為連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRC）的定制化設(shè)計(jì)提供了更大的自由度。如圖1所示，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)（CFRS）在3D打印背景下的設(shè)計(jì)跨越了三個(gè)層級(jí)：制造工藝、材料和結(jié)構(gòu)。CFRS的性能可以由多個(gè)變量在不同層級(jí)上進(jìn)行調(diào)控。每個(gè)設(shè)計(jì)水平由多個(gè)提高整體性能的因素組成。例如，在工藝層面，通過(guò)優(yōu)化3D打印的切片參數(shù)，可以設(shè)計(jì)CFRS的微觀結(jié)構(gòu)特征，減少制造缺陷，從而提高CFRS的力學(xué)性能。在材料層面，選擇合適的纖維和基體材料來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的協(xié)同增強(qiáng)，從而提高結(jié)構(gòu)的綜合性能。最后，在結(jié)構(gòu)水平上，胞元幾何形狀以及填充密度對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能也有顯著的影響。因此，3D打印復(fù)合材料的多層級(jí)設(shè)計(jì)為其廣泛應(yīng)用提供了可能，3D打印CFRS的研究也越來(lái)越受到重視。

CFRS圖1 CFRS的增材制造設(shè)計(jì)層級(jí)及制造方法

2022年，復(fù)合材料TOP期刊《Composites Part B: Engineering》發(fā)表了中南大學(xué)及法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)、南布列塔尼大學(xué)在3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)方面的研究工作，論文標(biāo)題為“3D Printed Continuous Fiber Reinforced Composite Lightweight Structures: A Review and Outlook”。文章結(jié)合近年來(lái)相關(guān)論文的研究成果，討論了材料、工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)類(lèi)型等變量的二維到三維結(jié)構(gòu)的多層級(jí)設(shè)計(jì)問(wèn)題,介紹了結(jié)構(gòu)特性對(duì)CFRS力學(xué)性能的影響及在形狀變形和自監(jiān)測(cè)方面的新應(yīng)用。為未來(lái)的研究提供思路，以彌補(bǔ)先進(jìn)工藝與CFRS多層級(jí)設(shè)計(jì)之間的差距，從而充分挖掘3D打印CFRS的應(yīng)用潛力。本期谷.專(zhuān)欄，將分享這篇論文所闡述的關(guān)鍵內(nèi)容。

Article_CFRS論文鏈接：

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

block 3D打印CFRS的工藝

與傳統(tǒng)的工藝要求類(lèi)似，首先考慮纖維與基體的適宜性和相容性，以保證基體與纖維、層內(nèi)界面以及層間的良好相互作用，從而減少制造缺陷。如圖2所示，針對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的打印，開(kāi)發(fā)了各種工藝。這些工藝一般可分為兩大類(lèi)。一類(lèi)是基于干纖維束的原位或在線浸漬法，另一類(lèi)是基于預(yù)浸絲的打印方法。

Article_CFRS_FFF圖2 CFRS打印的主要FFF工藝

在原位浸漬方法中，連續(xù)的干纖維和熱塑性基體按指定比例同時(shí)送入打印頭（圖2（a））。熱塑性基體在噴嘴中被加熱到熔點(diǎn)以上，而干纖維在進(jìn)入噴嘴前被預(yù)熱，然后在噴嘴內(nèi)被熔融的熱塑性樹(shù)脂浸漬。浸漬的纖維和熔融聚合物一起從噴嘴擠出，并直接沉積固化。原位浸漬工藝由于操作方便，3D打印機(jī)價(jià)格低廉，成為了目前應(yīng)用最廣泛的CFRS制造方法。

與原位浸漬法一樣，在線浸漬法也采用連續(xù)干纖維，干纖維在輸送到打印噴嘴之前被浸漬（圖2（b））。這個(gè)過(guò)程在CFRC的3D打印中是一個(gè)復(fù)雜的方法，因?yàn)樗枰鄠€(gè)制造步驟同時(shí)發(fā)生。與使用干纖維的打印不同，纖維預(yù)浸絲的打印是采用含有聚合物基體和連續(xù)纖維的預(yù)浸漬材料（圖2）（c））。這種工藝非常方便，因?yàn)樗鼜拇蛴∵^(guò)程中分離了干纖維浸漬的復(fù)雜性。

本文還研究了共擠出法打印輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的工藝。共擠出打印工藝是指預(yù)浸絲與基體材料同時(shí)進(jìn)料。這兩種材料在噴嘴被加熱，然后共擠在一起（圖2（d））。同時(shí)，隨著不同的預(yù)浸絲共擠技術(shù)的出現(xiàn)，采用熱塑性預(yù)浸絲和熱塑性基體相結(jié)合的方法來(lái)打印CFRC。原位固化3D打印指的是在沉積過(guò)程中，通過(guò)外部能量源對(duì)預(yù)浸絲打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行在線固化處理（圖2（e））。

block 現(xiàn)有的限制

1. 浸漬

增強(qiáng)纖維被基體浸漬的程度顯著影響3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能。由于3D打印連續(xù)纖維的成型壓力小，浸漬時(shí)間短，在打印過(guò)程中纖維浸漬效果難以與傳統(tǒng)成型工藝相比。在現(xiàn)有的3D打印工藝中，原位浸漬工藝的浸漬問(wèn)題尤為嚴(yán)重。如圖3（a, b）所示，在結(jié)構(gòu)斷裂剖面中，纖維束中間表面光滑的纖維表明，在打印過(guò)程中，基體未能浸漬纖維。Wang等人也展示了3D打印碳纖維材料浸漬不良的問(wèn)題，其中纖維暴露在外部，未能被基體包覆（圖3（c））。相比之下，3D打印預(yù)浸絲的浸漬程度要優(yōu)于原位浸漬工藝，但由于成型壓力較小，仍然存在浸漬缺陷。從圖3（d）中，晶格結(jié)構(gòu)的邊緣未被基體覆蓋，纖維暴露在表面。Liu等人打印的CFRS由于浸漬不良而存在大量孔隙缺陷，尤其是在打印方向改變的位置（圖3（e））。而這些浸漬缺陷是結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過(guò)早的失效。