基于熔融沉積成型的連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印研究進展

於琳濤　聶祥樊　羅楚養(yǎng)

摘要：? ? ? 熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling， FDM）工藝具有無模自由成型、 可設(shè)計性強、 快速成型等特點， 進一步擴大了連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用范圍， 是當前受到廣泛關(guān)注和研究的3D打印成型工藝。 本文針對連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的FDM工藝成形原理、 工藝方法及設(shè)備、 打印原材料等方面進行綜述； 分析了工藝參數(shù)、 浸漬狀態(tài)以及路徑規(guī)劃算法對連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印樣件的力學(xué)性能及表面質(zhì)量的影響。 針對當前FDM工藝以及技術(shù)發(fā)展所遇到的問題進行總結(jié)并對今后發(fā)展的重點方向提出建議。

關(guān)鍵詞：? ? ?復(fù)合材料； 3D打印； 連續(xù)纖維； 熔融沉積成型; 飛行器中圖分類號：? ? ? TJ760； V257

文獻標識碼：? ? A文章編號：? ? ?1673-5048（2023）02-0042-11

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0217

0引言

結(jié)構(gòu)輕量化是實現(xiàn)機載武器高速度、 高機動、 遠射程的重要手段［1-2］。 連續(xù)纖維增強樹脂基復(fù)合材料具有比強度高、 比模量大、 低密度、 耐腐蝕、 抗疲勞等特點， 廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療、 海洋船舶、 軌道交通、 航空航天等領(lǐng)域 ［3-6］， 將其應(yīng)用在機載武器結(jié)構(gòu)中， 可獲得良好的減重效果［7-11］。 連續(xù)纖維增強樹脂基復(fù)合材料傳統(tǒng)成型工藝主要包括熱壓罐成型［12］、 模壓成型［13］、 液體模塑成型［14］、 拉擠成型［15］、 纖維纏繞成型［16］等。 這類成型工藝一方面工藝流程復(fù)雜， 往往需要模具， 成本較高， 生產(chǎn)周期長； 另一方面， 模具的存在限制了成形件結(jié)構(gòu)， 難以制造復(fù)雜形狀構(gòu)件， 通常需要配合復(fù)雜的后處理技術(shù)實現(xiàn)， 導(dǎo)致整體性能下降且加工成本提高。 3D打印成型工藝與傳統(tǒng)復(fù)合材料成型工藝相比， 具有工藝過程簡單、 材料利用率高、 制造成本低等優(yōu)點， 同時可實現(xiàn)連續(xù)纖維增強復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一體化成型， 無需模具， 可顯著降低先進復(fù)合材料的制造時間和成本。 為實現(xiàn)先進復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)小成本快速制造提供了有效途徑。

常用3D打印工藝主要包括液態(tài)樹脂光固化成型（Stereo Lithography Apparatus， SLA）、 選擇性激光燒結(jié)成型（Selective Laser Sintering， SLS）以及熔融沉積成型工藝（Fused Deposition Modeling， FDM）［17］。 相較于其他成型工藝， 熔融沉積成型（FDM）工藝是目前廣泛應(yīng)用于連續(xù)纖維增強樹脂基復(fù)合材料的3D打印成型技術(shù)。 其工作原理主要包含熔融、 沉積和成型三個階段， 利用熔融裝置加熱融化絲狀的熱塑性基體材料并從噴頭中擠出， 按照計算機切片軟件設(shè)置的路徑逐層沉積， 最后熔融態(tài)的復(fù)合材料絲材由于溫度降低而迅速固化最終成型［18］。 FDM工藝可以在實現(xiàn)低成本、 高性能復(fù)合材料制備的同時減少后續(xù)處理工藝， 并具有良好的可回收性和再加工性， 進一步擴大了連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用范圍， 被認為是未來復(fù)合材料制備的主要途徑之一［19］。 近年來， 科研人員針對連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的FDM工藝展開研究， 旨在闡明連續(xù)纖維增強樹脂基復(fù)合材料3D打印工藝機理， 有效改善3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能。 Song等［20］利用FDM工藝制備聚乳酸（Polylactic Acid， PLA）樣件并研究了不同方向上打印樣件的力學(xué)性能。 Aliheidari等［21］基于FDM工藝提出表征打印樣件斷裂性能以及層間剪切能力的模型， 并研究不同層厚對打印樣件層間剪切性能的影響。 高堯等［22］利用FDM工藝制備出PLA/石墨烯復(fù)合材料， 并研究工藝參數(shù)對彎曲性能的影響。 研究發(fā)現(xiàn)， 利用FDM工藝制備連續(xù)纖維增強復(fù)合材料雖然滿足設(shè)計性高、 快速制造的要求， 但依然存在基體材料受限、 增強纖維含量低、 力學(xué)性能較低以及打印過程中纖維浸漬不充分、 噴頭易堵塞等問題。

本文針對連續(xù)纖維增強復(fù)合材料FDM工藝成型過程中工藝原理、 相關(guān)設(shè)備， 以及打印原材料的研究進展進行綜述， 并對不同工藝參數(shù)、 浸漬效果、 打印路徑等對力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響進行了分析。 對現(xiàn)階段發(fā)展所遇到的問題進行總結(jié)， 為連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印技術(shù)今后的發(fā)展及其在機載武器上的應(yīng)用提供參考。

1FDM工藝工作方式及相關(guān)設(shè)備

可用于連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的3D打印 FDM工藝設(shè)備的主要組成部分包括X-Y-Z三維運動機構(gòu)、 連續(xù)纖維剪切機構(gòu)、 噴頭機構(gòu)、 送絲機構(gòu)、 熔融加熱器、 散熱風扇、 溫度傳感器以及控制系統(tǒng)等。 打印設(shè)備的工作方式根據(jù)連續(xù)纖維增強體材料的浸漬狀態(tài)可分為預(yù)浸漬打印和在線浸漬打印。

1.1預(yù)浸漬打印

預(yù)浸漬打印工藝是指將連續(xù)干纖維束在打印之前利用熱塑性樹脂進行預(yù)先浸漬， 得到外部包裹著樹脂基體材料的連續(xù)纖維絲材， 隨后將處理后的預(yù)浸絲材與熱塑性樹脂基體絲束從兩個打印頭中分別擠出得到打印樣件［23］。 預(yù)浸漬可在浸漬纖維過程中監(jiān)控浸漬效果、 提高浸漬質(zhì)量， 從而降低增強材料與基體材料之間的界面結(jié)合能力不良等問題［24］。

基于預(yù)浸漬打印工藝， 美國Mark forged公司和俄羅斯Anisoprint 公司各自推出了桌面級雙噴嘴3D打印機， 均帶有剪切裝置和相應(yīng)的切片軟件， 最高打印溫度在 270 ℃左右， 其中Mark forged 公司的 Mark Two 打印機在各高校中應(yīng)用最為廣泛［25］。 Mark Two 3D打印機（如圖1所示）采用雙噴頭結(jié)構(gòu)， 分別打印預(yù)浸漬纖維束以及熱塑性基體材料絲束， 完成內(nèi)部增強結(jié)構(gòu)的鋪覆和外形框架， 并通過打印噴頭內(nèi)部的剪切機構(gòu)實現(xiàn)對復(fù)合材料的實時剪切， 達到控制連續(xù)纖維取向的目的［26］， 主要適用于連續(xù)碳纖維、 玻璃纖維以及凱夫拉纖維等增強纖維復(fù)合材料的3D打?。?7］。 基于Mark系列3D打印機的商業(yè)推廣， 鄭東昊等［28］對打印噴頭進行了優(yōu)化， 設(shè)計出可在打印成形過程中對絲材實時可控剪切的噴頭， 避免了噴頭在抬起和跳轉(zhuǎn)運動過程中纖維拉出影響成形過程連續(xù)性和穩(wěn)定性。 Li等［29］提出一種真空條件下制備碳纖維增強復(fù)合材料的新型3D打印機和一種用于生產(chǎn)3D打印所需原材料的連續(xù)碳纖維預(yù)浸長絲生產(chǎn)設(shè)備， 用該設(shè)備生產(chǎn)的連續(xù)碳纖維（Continuous Carbon Fiber， CCF）/聚乳酸（PLA）試樣與常壓條件下進行對比， 發(fā)現(xiàn)其孔隙率降低9.75%， 其拉伸強度和模量分別提高了24.51%和8.35%， 為連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料打印工藝的發(fā)展提供了條件。

同時， 預(yù)浸漬工藝所用打印設(shè)備仍在某些方面值得關(guān)注： 一方面， 由于熱塑性基體材料預(yù)先包裹增強纖維后再與樹脂基體逐層熔融疊加， 導(dǎo)致樣件的纖維含量降低， 限制了復(fù)合材料的部分力學(xué)性能； 另一方面， 增強纖維絲束的鋪覆起始位置和路徑規(guī)劃對于復(fù)合材料樣件的力學(xué)性能有很大影響。

1.2在線浸漬打印

不同于預(yù)浸漬工藝， 在線浸漬工藝僅需要一個打印噴頭， 以Matsuzaki課題組［30］和田小永課題組［31］研究成果為代表， 通過將熱塑性基體長絲和連續(xù)纖維長絲同時供給打印機， 并在打印時利用加熱噴頭使熱塑性長絲充分浸漬連續(xù)纖維， 在復(fù)合材料熔融體推力作用下沿打印路徑擠出最終形成樣件［32］。

基于在線浸漬工藝， Yang等［33］開發(fā)出一種新型3D打印設(shè)備， 用于連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料。 該設(shè)備包括新型擠壓頭、 控制系統(tǒng)、 構(gòu)建平臺、 X-Y運動機構(gòu)等。 Rijckaert等［34］在商用級臺式熔融纖維絲束制造（Fused Filament Fabrication， FFF）3D打印機基礎(chǔ)上改進打印噴頭， 使增強纖維絲束與聚合物基體在噴頭內(nèi)部聚集浸漬后沿噴頭一并擠出， 利用該設(shè)備生產(chǎn)連續(xù)玻璃纖維（Continuous Glass Fiber， CGF）/聚對苯二甲酸乙二醇酯-1， 4-環(huán)己烷二甲醇酯（Poly， PETG）復(fù)合材料質(zhì)量和力學(xué)性能與手動鋪層技術(shù)生產(chǎn)的傳統(tǒng)復(fù)合材料相當。 Terekhina等［35］利用相應(yīng)設(shè)備制備出紡織亞麻紗/尼龍6（Nylon 6， PA 6）復(fù)合材料， 并通過實驗驗證了不同纖維取向下的力學(xué)性能， 結(jié)果表明使用在線浸漬工藝的復(fù)合材料試樣孔隙率更低， 且隨著纖維體積分數(shù)的增加， 打印試樣的孔隙率和層間分層現(xiàn)象降低。

在線浸漬打印不需要對3D打印機進行大量修改， 避免了預(yù)處理浸漬線材帶來的技術(shù)困難， 可在提高可靠性的同時降低成本； 同時增加了使用材料的種類和類型， 可滿足不同構(gòu)件的要求。 該技術(shù)的主要不足在于混合絲材在打印噴頭內(nèi)短暫浸漬容易導(dǎo)致內(nèi)部浸漬效果不佳， 且打印速度過慢會導(dǎo)致樹脂基體材料堵塞打印噴頭。 為控制材料的噴頭擠出速度， 劉騰飛等［36］設(shè)計了兩級送絲打印噴頭， 較好地改善了浸漬效果， 使連續(xù)纖維增強復(fù)合材料樣件中纖維體積含量得到進一步提高， 且利用該設(shè)備制備出的連續(xù)碳纖維增強尼龍6復(fù)合材料纖維含量達到44.1 vol%， 拉伸強度和模量分別達到405 MPa和80.6 GPa。 在線浸漬工藝原理如圖2所示。

2FDM工藝原材料

FDM工藝的原材料包括樹脂基體材料和連續(xù)纖維增強材料， 其中基體材料表現(xiàn)為低強度、 低模量、 高韌性等特點， 用來維持纖維定位， 協(xié)助分配載荷， 保護增強材料不受腐蝕、 降解和磨損［38］。 連續(xù)纖維則具有高強度、 高模量， 主要用來提高3D打印試樣的機械性能， 減少零件制造過程中的翹曲， 增加成型件尺寸以及外形的穩(wěn)定性， 并增加試件的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能， 改善生物相容性等。

2.1樹脂基體材料

適用于連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印的樹脂基體材料包括熱塑性樹脂材料和熱固性樹脂材料。 其中熱塑性基體材料可通過加熱熔融并冷卻固化成型， 在成型過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 具有存儲方便、 儲存期限長和可反復(fù)加工等優(yōu)點。 相比之下， 熱固性樹脂基體材料在成型過程中通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生三維交聯(lián)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)， 不可二次加工、 儲存期限短且需要低溫保存， 難以滿足FDM工藝低成本、 可回收和再加工性能的需要。 適用于FDM工藝的3D打印熱塑性樹脂基體材料主要包括丙烯腈丁二烯苯乙烯（Acrylonitrile Butadiene Styrene Copolymers， ABS）、 聚乳酸（PLA）、 尼龍（PA）、 聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate， PET）等。

ABS基體材料表面硬度高、 尺寸穩(wěn)定性好， 具有優(yōu)良的電學(xué)性能和耐磨性， 在3D打印成型過程中加工性能好， 打印樣件具有良好力學(xué)性能和抗沖擊性能。 通過改變打印過程中的參數(shù)發(fā)現(xiàn)鋪層厚度、 填充密度以及噴嘴直徑對ABS打印樣件力學(xué)性能影響顯著。 Samykano等［39］發(fā)現(xiàn)當填充百分比為80%、 打印層厚為0.5 mm、 鋪層角度為65°時， ABS 3D試樣件的力學(xué)性能最佳， 抗拉強度、 彈性模量以及屈服強度分別為31.57 MPa、 774.50 MPa和19.95 MPa。 Vicente等［40］研究了噴嘴直徑、 填充密度、 鋪層角度和鋪層厚度等參數(shù)對ABS打印樣件拉伸強度、 屈服強度和彈性模量的影響， 實驗結(jié)果表明影響打印件力學(xué)性能的主要參數(shù)包括噴嘴直徑和填充物密度。 同時ABS 3D 打印結(jié)構(gòu)件存在內(nèi)部孔隙率高、 層間孔隙大以及冷卻過程中易發(fā)生翹曲變形等問題。

與ABS基體材料相比， PLA基體材料抗沖擊強度低但拉伸強度高， 且具有同樣的電學(xué)性能和柔韌性。 除此之外， PLA基體材料成型過程簡單、 層間結(jié)合性能好、 表面質(zhì)量高且可在自然環(huán)境下降解， 符合綠色發(fā)展的要求。 Luzanin等［41］研究了鋪層厚度、 打印溫度以及打印速度對PLA打印樣件拉伸強度以及微觀結(jié)構(gòu)的影響， 并得出在鋪層厚度為0.2 mm、 打印速度為30 mm/s、 打印溫度在80 ℃時， 打印件的拉伸性能與微觀結(jié)構(gòu)最佳。 Christiyan等［42］研究了樣件鋪層厚度、 打印速度以及鋪層方向?qū)LA樣件彎曲性能的影響， 指出在0°鋪層、 打印速度38 mm/s以及層厚0.2 mm時， 產(chǎn)生最大的抗彎強度。 研究表明， PLA基體材料3D打印樣件的力學(xué)性能受鋪層角度、 印刷速度以及鋪層厚度的影響較大， 且當鋪層厚度增加時打印件的孔隙率以及微觀結(jié)構(gòu)缺陷變大， 從而降低打印件的力學(xué)性能。

相較于ABS和PLA基體材料， PA材料具有更好的耐化學(xué)性、 更高的拉伸強度以及彎曲強度， 利用PA基體材料制作的3D打印樣件具有成型工藝簡單、 沖擊強度高、 層間結(jié)合性能強等優(yōu)點， 且在高溫環(huán)境下也能獲得更好的力學(xué)性能。 Chapman等［43］針對基于FDM工藝制作PA6 3D打印樣件翹曲、 層間分層等問題， 對PA6材料的打印適應(yīng)性進行改善， 利用沖擊改性劑與PA6進行混合后優(yōu)化打印溫度、 打印速度、 冷卻速度等工藝參數(shù)， 制作PA6 3D打印樣件， 試驗結(jié)果表明改性后的PA6 樣件抗沖擊性能達到543 J/m。 Li等［44］比較了不同打印溫度、 打印速度以及鋪層方向下ABS基體材料3D打印件與PA基體材料打印樣件層間結(jié)合性能與拉伸強度， 發(fā)現(xiàn)在相同工藝參數(shù)下， PA基體材料的力學(xué)性能以及層間結(jié)合能力高于ABS基體材料。 可以看出， PA基體材料層間結(jié)合能力優(yōu)于ABS與PLA基體材料， 且受鋪層方向以及鋪層厚度的影響， 當鋪層厚度增加時， 界面間的結(jié)合能力降低， 導(dǎo)致打印樣件力學(xué)性能下降。 表1中對比了不同熱塑性基體材料在不同工藝參數(shù)下的力學(xué)性能。

當前研究中， FDM工藝廣泛應(yīng)用的3D打印熱塑性樹脂材料普遍滿足熔融溫度低、 熔融流動性好、 耐疲勞性能好等要求， 且這類基體成型工藝簡單、 大幅度減少了打印過程中的后續(xù)處理工藝。 但這類純聚合物樹脂材料由于不同鋪層之間冷卻溫度差異， 存在邊緣翹曲和層間結(jié)合不足等問題， 導(dǎo)致3D打印樣件表面質(zhì)量和產(chǎn)品精度較差。

2.2增強纖維

連續(xù)纖維增強材料通常指連續(xù)纖維絲束或連續(xù)纖維布， 如圖3所示。 與短纖維相比， 連續(xù)纖維增強材料對打印件力學(xué)性能以及剪切性能提升效果更顯著。? 適用于FDM工藝的連續(xù)增強纖維按材料種類分為連續(xù)碳纖維（CCF）、 連續(xù)玻璃纖維（CGF）、 連續(xù)凱夫拉纖維（CKF）和天然纖維等［45］。

現(xiàn)有研究中， 不同增強纖維對3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能提升有所差異， 主要體現(xiàn)在纖維類型、 纖維鋪層方向、 加工條件等方面， 如表2所示。 為此， Cersoli等［46］研究了三種不同體積分數(shù)下凱夫拉纖維增強聚乳酸復(fù)合材料的拉伸強度和抗沖擊性能， 并與純聚乳酸樣件進行比較。 Ning等［47］研究了纖維含量對ABS/CCF增強復(fù)合材料的影響， 發(fā)現(xiàn)當碳纖維含量為5%時， ABS/碳纖維復(fù)合材料的試樣的彎曲應(yīng)力、 彎曲模量和彎曲韌性值相較于純ABS樹脂分別提高11.82%， 16.82%和21.86%。 王麗娟等［48］研究了不同纖維方向的CCF/PA復(fù)合材料3D打印樣件的拉伸強度和壓縮強度， 實驗結(jié)果表明復(fù)合材料在沿纖維方向的拉伸強度為550 MPa， 壓縮強度為86.82 MPa， 而在垂直纖維方向時的拉伸強度為10.56 MPa， 壓縮強度為13.95 MPa。 Mathur等［49］研究了打印參數(shù)對 CGF/PA復(fù)合材料3D 打印樣品的宏觀結(jié)構(gòu)和拉伸性能的影響， 結(jié)果表明拉伸性能主要受纖維鋪層方向的影響， 而宏觀結(jié)構(gòu)與纖維含量和界面結(jié)合性能直接相關(guān)； Yu等［50］研究了連續(xù)碳纖維增強聚合物復(fù)合材料拉伸和彎曲性能， 利用連續(xù)碳纖維和Onyx復(fù)合長絲（在熱塑性PA基體中注入短切微碳纖維）制備復(fù)合材料樣件， 發(fā)現(xiàn)“同心”碳纖維填充（纖維圖案由螺旋形排列組成， 纖維束從打印樣件的外緣開始， 朝零件中心向內(nèi)纏繞， 形成環(huán)形圈）的3D打印樣件的拉伸和彎曲性能遠高于各向同性碳纖維鋪設(shè)方式［0 /45 /90 /135 ］的3D打印復(fù)合材料。

此外， 在FDM工藝成型3D打印樣件過程中， 不同連續(xù)纖維增強復(fù)合材料打印樣件的力學(xué)性能以及兩者間的界面結(jié)合能力存在明顯差異， 并且受到制備過程的加工條件的影響。 Dickson等［51］通過實驗測得CCF/PA試件的彎曲模量（13.02 GPa）是CKF/PA試件（4.61 GPa）的2.8倍， 是CGF/PA試件（3.87 GPa）的3.4倍， 對該實驗中所研究的增強纖維， 發(fā)現(xiàn)尼龍復(fù)合材料的強度依次為CCF>CKF>CGF。 Chacon等［52］注意到纖維增強體與基體材料之間界面結(jié)合性能對試件力學(xué)性能的影響， 觀察到與CCF和CGF相比， CKF的斷裂表面更干凈， 纖維界面上的PA殘留物最少， 這表明CKF與PA的結(jié)合最弱， 導(dǎo)致KF/PA試件的強度和剛度低于預(yù)期。 OConnor等［53］研究了大氣和低壓（1 Pa）工藝條件對CCF/PA， CGF/PA和CKF/PA打印樣件層間剪切性能和孔隙率的影響， 實驗結(jié)果表明在低壓條件下， CCF/PA， CGF/PA和CKF/PA試樣的孔隙率分別降低了5.7%， 1.0%和1.7%， 層間剪切強度分別提高了33%， 22%和12%。 表2中對比了不同連續(xù)纖維增強材料3D打印樣件的力學(xué)性能。

3打印工藝設(shè)計及影響

目前， 盡管連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印在打印工藝、 設(shè)備優(yōu)化、 材料設(shè)計等方面進行了大量研究并取得一定的成果， 使復(fù)合材料3D打印樣件的力學(xué)性能得到一定提升， 但與傳統(tǒng)復(fù)合材料成型工藝相比仍存在較大差距； 同時， 利用連續(xù)纖維作為增強體材料制備出的3D打印樣件在微觀形態(tài)上存在明顯不足， 連續(xù)纖維與熱塑性樹脂基體之間浸漬效果差、 界面結(jié)合能力弱， 導(dǎo)致內(nèi)部孔隙率較大， 在受力作用下易發(fā)生纖維拔出和斷裂等問題。 因此， 需要對3D打印工藝參數(shù)、 纖維浸漬過程以及路徑規(guī)劃軟件算法進行優(yōu)化設(shè)計， 從而提升連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印件的界面結(jié)合能力和力學(xué)性能。

3.1工藝參數(shù)影響

針對連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印樣件， 其力學(xué)性能和表面質(zhì)量是多個工藝參數(shù)包括打印速度、 打印溫度、 鋪層厚度、 纖維方向等耦合的結(jié)果， 不當?shù)墓に噮?shù)組合會導(dǎo)致復(fù)合材料樣件出現(xiàn)力學(xué)性能差、 界面結(jié)合能力弱、 內(nèi)部孔隙率高、 邊緣翹曲變形等缺陷［54］。 因此， 工藝參數(shù)的綜合優(yōu)化對3D打印樣件力學(xué)性能以及表面質(zhì)量提升具有重要意義。

崔永輝等［55］基于FDM工藝設(shè)計出3D打印絲材一體化裝置用于預(yù)浸絲制備， 如圖4（a）所示。 用該設(shè)備制造的預(yù)浸絲通過FDM工藝制造出CGF/PLA復(fù)合材料， 通過研究相容劑（PLA-g-MAH）含量、 打印層厚、 打印溫度、 打印速度對復(fù)合材料樣件力學(xué)性能以及微觀形貌的影響， 得出在相容劑質(zhì)量分數(shù)為3%， 鋪層厚度為0.5 mm， 打印溫度為230 ℃， 打印速度為2 mm/s時， 玻璃纖維與聚乳酸基體之間的界面結(jié)合能力明顯改善， 復(fù)合材料內(nèi)部孔隙率降低， 彎曲強度、 拉伸強度以及層間剪切強度為301.21 MPa， 213.58 MPa和11.925 MPa。 Akhoundi等［56］通過增加連續(xù)玻璃纖維的體積含量增加來提高3D打印樣件的力學(xué)性能， 研究了如纖維直徑、 纖維鋪設(shè)方向、 擠出寬度、 層高和纖維百分比等工藝參數(shù)下GF/PLA復(fù)合材料試樣的力學(xué)性能， 得出在噴頭擠出直徑為0.3 mm， 鋪層厚度為0.22 mm， 纖維百分比為43%， 矩形鋪設(shè)方式， 纖維體積含量約為50%的情況下， 拉伸屈服強度和模量分別為 478 MPa 和 29.4 GPa。 張帆等［57］研究了連續(xù)碳纖維復(fù)合材料成型質(zhì)量受打印溫度、 打印速度、 鋪層厚度、 纖維直徑等工藝條件的影響， 得出最佳打印工藝參數(shù)為： 線材直徑1 mm， 層高0.875 mm， 打印溫度200 ℃， 打印速度300 mm/min， 此時打印樣件的力學(xué)性能最佳。 Chen等［58］對CGF/PLA復(fù)合材料3D打印過程中纖維含量、 相容劑含量、 噴嘴直徑、 打印溫度、 打印速度等工藝參數(shù)進行優(yōu)化， 通過比較不同工藝參數(shù)下的力學(xué)性能得出， 當纖維含量為45%， 相容劑含量為3%， 噴嘴直徑為1.2 mm， 打印溫度為210 ℃， 打印速度為4 mm/s時， 彎曲強度與拉伸強度最高可達到313 MPa和241 MPa。 Mosleh等［59］通過FDM工藝打印出CCF/ABS復(fù)合材料， 考慮噴嘴直徑、 層高、 打印速度三個不同參數(shù)， 確定了力學(xué)性能最佳的工藝窗口（?=1.7 mm， h=0.8 mm， V_p=60 mm/min）。 在該工藝窗口下制作的3D打印樣件拉伸強度為119.85 MPa， 是純ABS試樣的四倍多， 彎曲強度為102.6 MPa， 層間剪切強度為11.6 MPa， 且在該工藝窗口下復(fù)合材料浸漬效果和界面結(jié)合能力明顯提升。

可以發(fā)現(xiàn)， 研究人員利用FDM工藝制備出不同工藝參數(shù)組合下的連續(xù)纖維增強復(fù)合材料， 通過力學(xué)測試和微觀形態(tài)觀察得出在部分工藝參數(shù)組合下的最佳力學(xué)性能和表面質(zhì)量， 甚至在特定工藝參數(shù)下制備的連續(xù)纖維增強樹脂基復(fù)合材料3D打印樣件的力學(xué)性能與傳統(tǒng)復(fù)合材料制備工藝樣件相媲美， 但針對工藝參數(shù)的全面設(shè)計得到整體力學(xué)性能的提升（拉伸強度、 彎曲強度、 層間剪切強度、 抗沖擊性能的整體增強）并沒有過多展開研究。 設(shè)計出適用于多數(shù)增強纖維復(fù)合材料整體力學(xué)性能提升的工藝參數(shù)組合， 將會使連續(xù)纖維增強樹脂基復(fù)合材料3D打印樣件力學(xué)性能邁上一個新的臺階。

3.2浸漬效果影響

在3D打印過程中， 纖維浸漬效果直接影響基體材料與增強纖維之間的界面結(jié)合能力、 復(fù)合材料層間、 線間結(jié)合能力以及打印件內(nèi)部孔隙率的大小， 從而影響復(fù)合材料樣件的表面質(zhì)量和力學(xué)性能。

Ren等［60- 61］根據(jù)雷諾方程以及達西定律建立了用于預(yù)測工藝參數(shù)對纖維浸漬度影響的數(shù)學(xué)模型， 基于該數(shù)學(xué)模型采用正交實驗得出纖維浸漬效果最佳的工藝參數(shù)， 驗證了該數(shù)學(xué)模型的有效性， 為浸漬效果優(yōu)化提供了解決方案。 Wang等［62］開發(fā)出一種用于識別橫向移動速度、 噴嘴溫度以及打印層厚等不同參數(shù)條件下纖維浸漬過程的理論模型， 并利用基體浸漬百分比來表征浸漬過程， 通過CCF/PLA復(fù)合材料3D打印樣件對該模型進行驗證。 實驗結(jié)果表明， 浸漬率隨工藝參數(shù)增加結(jié)果與理論預(yù)測結(jié)果一致， 且在浸漬率為33%時打印樣件的拉伸強度最大， 可達到221.78 MPa， 浸漬百分比提高25%， 可使拉伸強度增加45%。 Qiao等［63］研發(fā)出一種超聲波輔助設(shè)備， 用于連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料3D打印， 如圖4（b）所示。 該設(shè)備對預(yù)浸漬后的纖維絲材進行超聲處理以提高復(fù)合材料的界面結(jié)合能力以及表面形態(tài)， 通過研究超聲波工藝參數(shù)對浸漬效果以及力學(xué)性能的影響， 表明在超聲振幅為40 μm， 加工速度為15 mm/s時， 3D打印樣件拉伸強度和彎曲強度分別比未經(jīng)過超聲處理的材料提高了34%和29%。 Yu等［64］提出一種有效的熔融沉積浸漬技術(shù)， 并設(shè)計制造出多輥熔融浸漬模具。 該模具利用熔融聚合物的高壓和浸漬輥的張力使纖維束充分膨脹達到浸漬效果， 并通過優(yōu)化浸漬過程中纖維含量、 浸漬模具溫度、 平均接觸角、 拉伸速率和添加劑等關(guān)鍵參數(shù)獲得高質(zhì)量的CGF／PLA長絲， 制備流程如圖4（c）所示。 通過力學(xué)試驗機測得復(fù)合材料的彎曲強度、 拉伸強度、 沖擊強度和層間剪切強度分別達到312 MPa， 220 MPa， 154 MPa和14 MPa。

當前研究中主要通過在浸漬過程中提供高溫高壓使樹脂基體與增強纖維相互滲透，并通過打印裝置優(yōu)化、 激光輔助、 超聲輔助等壓力輔助方法提高浸漬效果并降低3D打印復(fù)合材料孔隙率， 或使用特殊輔助處理來提升復(fù)合材料的浸漬效果。 這類方法大多需要單獨設(shè)計開發(fā)輔助設(shè)備并進行特殊處理， 但浸漬效果的增強進一步提高了復(fù)合材料中增強纖維的體積分數(shù)， 改善了復(fù)合材料層間結(jié)合能力， 使得復(fù)合材料3D打印樣件的微觀形貌和力學(xué)性能進一步提升。

3.3路徑規(guī)劃算法影響

隨著3D打印FDM工藝的不斷發(fā)展， 計算機輔助技術(shù)在復(fù)合材料成型中起到舉足輕重的作用， 主要表現(xiàn)在對3D打印成型過程中路徑規(guī)劃的研究上。 當前較為成熟的適用于連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的商用路徑規(guī)劃系統(tǒng)主要有Markforged 公司的Eiger系統(tǒng)和Anisoprint公司的Aura系統(tǒng)， 這兩款系統(tǒng)的路徑規(guī)劃功能可調(diào)控的參數(shù)存在局限性， 可設(shè)計性低。 為此科研人員針對FDM工藝中路徑規(guī)劃以及算法優(yōu)化進行了一定研究， 可以有效改善連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的力學(xué)性能和制造速度， 對復(fù)合材料樣件成型質(zhì)量和成型效率至關(guān)重要。

張帆等［65］在研究連續(xù)纖維增強復(fù)合材料成型工藝的基礎(chǔ)上， 提出了針對連續(xù)碳纖維復(fù)合材料3D打印的切片方向調(diào)控算法。 該方法利用力學(xué)方向約束下的坐標矩陣變換算法實現(xiàn)3D打印模型切片處理的方向性調(diào)控， 采用矩陣空間變換后切平面相交的特點對纖維鋪層進行等層厚分層處理， 實現(xiàn)連續(xù)碳纖維復(fù)合材料 3D 打印成型路徑方向規(guī)劃。 根據(jù)三維模型分層處理結(jié)果（如圖5所示）， 該方法可實現(xiàn)在任意受力方向上的切片目標， 為高性能連續(xù)碳纖維3D打印奠定了基礎(chǔ)。 黃志鵬等［66］基于FDM工藝， 使用MATLAB軟件改進自適應(yīng)分層算法實現(xiàn)全局的自適應(yīng)分層， 并利用該算法進行復(fù)合材料樣件打印， 結(jié)果表明使用該算法打印的樣件比使用Hilbert曲線作為填充路徑的打印試樣平均最高翹曲率降低60.7%， 打印效率提升約3.93%； 與傳統(tǒng)路徑規(guī)劃算法制備的3D打印樣件相比， 表面粗糙度提升約40%。 易雪濤等［67］針對碳纖維長纖選擇性插入過程中的三維模型切片層選擇與成型路徑的規(guī)劃問題， 提出連續(xù)碳纖維材料和高分子材料混合打印的選擇性分層插入的算法， 并得出當碳纖維增強材料體積占比36%、 插入6層的條件下， 3D打印樣件的彎曲強度和拉伸強度分別提高了79.94%和31%。 Wang等［68］提出一種根據(jù)纖維載荷分布的打印路徑規(guī)劃方法（Load-Dependent Path Planning， LPP）， 并在該方法的基礎(chǔ)上開發(fā)出應(yīng)力向量跟蹤（Stress Vector Tracing， SVT）算法。 該算法利用拓撲優(yōu)化方法簡化原有的無序載荷分布， 使纖維的載荷傳遞路徑能被精確跟蹤， 打印路徑依據(jù)載荷分布路徑生成， 如圖6所示。 通過實驗驗證在該算法下打印出的復(fù)合材料拉伸性能與彎曲性能提升顯著。

科研人員通過對打印路徑進行規(guī)劃，進一步實現(xiàn)了復(fù)合材料樣件的自由成型和快速制造， 為復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)樣件3D打印奠定了理論基礎(chǔ)， 使FDM工藝能夠更加廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)機機身支撐結(jié)構(gòu)、 機載武器等復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。 通過合理規(guī)劃打印路徑， 改變打印過程中的層間間距和線間間距， 改善了各向異性材料的應(yīng)力分布， 提升了復(fù)合材料樣件的層間結(jié)合能力以及層間剪切強度， 并有效改善了成型樣件的表面質(zhì)量。 此外， 合理的路徑規(guī)劃以及算法優(yōu)化可有效改善連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的力學(xué)性能和制造速度， 對復(fù)合材料樣件成型質(zhì)量和成型效率至關(guān)重要。

4總結(jié)

戰(zhàn)爭形式的變化深刻影響著武器裝備的發(fā)展方向［69-70］， 分布式作戰(zhàn)［71- 72］和蜂群戰(zhàn)術(shù)［73-74］將成為未來戰(zhàn)爭的重要手段， 以低慢小為特點的機載無人武器將成為航空裝備的重要發(fā)展方向［75］。 這就要求機載武器的結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、 高強、 快速制造與修復(fù)的特點， 基于FDM工藝的連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印技術(shù)是實現(xiàn)先進復(fù)合材料快速制造的主要方法之一。 本文基于FDM工藝對連續(xù)纖維增強復(fù)合材料成型過程中打印材料、 打印設(shè)備及工作方式的研究現(xiàn)狀進行闡述， 并結(jié)合相關(guān)工藝參數(shù)、 浸漬過程以及路徑規(guī)劃算法優(yōu)化進行分析， 對該領(lǐng)域研究現(xiàn)狀以及今后發(fā)展提出總結(jié)建議：

（1） 在現(xiàn)有研究中， 針對打印材料、 打印過程中不同工藝參數(shù)組合進行設(shè)計， 在此條件利用FDM工藝制備出復(fù)合材料樣件的部分力學(xué)性能得到明顯提升， 但對于全面工藝參數(shù)的組合設(shè)計、 整體力學(xué)性能的增強并沒有展開具體研究。 因此， 針對工藝參數(shù)的全面設(shè)計和力學(xué)性能的整體提升是下一步的研究方向。

（2） 通過對在浸漬過程中提供高溫高壓條件、 利用輔助設(shè)備提高浸漬效果、 在打印過程中優(yōu)化纖維鋪設(shè)方式使復(fù)合材料纖維體積分數(shù)提升、 內(nèi)部孔隙率下降、 界面結(jié)合能力以及力學(xué)性能提高， 但與傳統(tǒng)成型工藝制備的復(fù)合材料樣件相比仍存在一定差距。 進一步提升浸漬效果以改善連續(xù)纖維增強復(fù)合材料層間界面結(jié)合能力和內(nèi)部孔隙率是今后探索的主要方向。

（3） 針對連續(xù)纖維增強復(fù)合材料FDM工藝， 當前沒有通用型的打印設(shè)備， 尤其是與之適配的上層應(yīng)用軟件更為稀缺， 導(dǎo)致當前一些改善力學(xué)性能的路徑優(yōu)化算法無法得到實驗驗證。 此外， 適用于少數(shù)增強纖維的打印設(shè)備同樣存在打印速度低、 打印孔隙率大、 打印圖案受限、 用戶自主設(shè)計性低等問題， 極大限制了該行業(yè)的發(fā)展。 在今后的研究中， 需要開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的打印系統(tǒng)以及上層切片軟件， 以適應(yīng)優(yōu)化算法和復(fù)雜路徑規(guī)劃， 提高打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料樣件的合理性。 此外， 需要通過模塊化設(shè)計， 將不同種類熱塑性樹脂基體材料、 不同直徑絲材進行整合， 實現(xiàn)多種材料復(fù)合設(shè)計的樣件的制備。

（4） 當前針對連續(xù)纖維增強樹脂基復(fù)合材料3D打印樣件的力學(xué)性能測試主要按照傳統(tǒng)工藝制備的纖維增強復(fù)合材料樣件力學(xué)測試標準進行， 該標準缺乏對3D打印成型工藝特點的考慮， 目前適用于3D打印樣件的力學(xué)測試標準僅包括ISO / ASTM DIS 52903“塑料材料基于材料擠壓的增材制造的標準規(guī)范”和 ISO/ASTM NP 52905“增材制造產(chǎn)品的無損檢測”兩個國際標準［29］， 并且仍處于不斷完善階段。 因此， 3D打印行業(yè)缺乏一個可行的力學(xué)性能標準測試方法適用于連續(xù)纖維增強樹脂基復(fù)合材料樣件， 這是今后發(fā)展的重要方向。

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Progress in 3D Printing of Continuous Fiber Reinforced

Composites Based on Fused Deposition Modeling

Yu Lintao Nie Xiangfan Luo Chuyang

（1. School of Aeronautics， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China;

2. The Green Aerotechnics Research Institute of Chongqing Jiaotong University，

Chongqing 401120， China; 3. Aviation Engineering School，? Air Force Engineering University， Xian 710038， China;

4. Center for Civil Aviation Composites， Donghua University， Shanghai 201620， China）

Abstract： The fused deposition molding （FDM） process is a 3D printing molding process that has received extensive attention and research because of its free molding， strong designability and rapid prototyping. This further expands the application of continuous fiber reinforced composites. This paper reviews the forming principle， process method， equipment and printing materials of the FDM process for continuous fiber reinforced composites. The effects of process parameters， impregnation state and path planning algorithm on the mechanical properties and surface quality of 3D printed continuous fiber reinforced composite samples are analyzed. The problems encountered in the current FDM process and technology development are summarized， and suggestions for the key directions of future development are proposed.

Key words：? composite; 3D printing; continuous fiber; fused deposition modeling; aircrafts