“十四五”国家重点研发计划“大幅面纤维增强热塑性复合材料增材制造技术与装备”项目启动

科技部于去年三月公布了“十四五”国家重点研发计划“增材制造与激光制造”重点专项（点击查看）2022年度项目申报指南，涵盖了基础理论和前沿技术、核心功能部件、关键技术与设备、典型应用示范等四大类26个项目。其中包含“大幅面纤维增强热塑性复合材料增材制造技术与装备”项目。

该项目要求研究面向大型纤维增强热塑性复合材料构件的多丝束挤出增材制造成形机理及翘曲变形行为，发展大型纤维增强热塑性复合材料构件设计方法，攻克大型纤维增强热塑性复合材料增材制造的路径优化、多材料性能匹配、多工艺参数匹配、界面结合优化、成形精度控制等关键技术；研究增材制造复合材料构件非降级回收再制造技术和构件的性能评价方法；研制大型纤维增强热塑性复合材料构件增材制造装备。对于指标考核，要求：

1）研制纤维增强热塑性复合材料多丝束挤出增材制造装备，成形尺寸4000mm x 2000mm x 1000mm，成形效率比单丝工艺提升5倍以上，构件制造精度≤1‰；

2）增材制造构件纤维质量分数≥55%，层厚在0.1mm-1mm可调，层间剪切强度≥35MPa；

3）回收再制造复合材料力学性能不低于回收前性能的90%；

4）在航空航天、轨道交通等领域应用验证，制定大型纤维增强热塑性复合材料构件增材制造成形工艺标准和测试评价规范。

同济大学李岩教授任该项目的首席科学家，李岩教授在5月26日的项目的启动暨实施方案论证会上详细汇报了项目的实施方案, 项目围绕融合自动铺丝和3D打印大幅面连续纤维增强热塑性复合材料增材制造技术及装备，建立以机理和规律为支撑的构件设计、制造和装备一体化技术体系及应用验证平台，实现大幅面复杂复合材料构件的高性能、整体化和高效率制造，技术可推广。专家组对实施方案进行了审阅、质询和指导，认为该实施方案与项目任务书要求一致，技术路线、考核指标明确，项目课题设置合理；项目阶段目标和分工明确，计划安排基本合理；项目法人单位职责明确，交流检查机制健全，实施方案合理可行，一致同意通过实施方案论证。

3D打印可以非常精确的定位和定向连续纤维。因此，可以将纤维放置在产品内部的选定方向和位置，使其沿着指定载荷路径提供所需强度和刚度，形成内部结构的组成部分。这意味着纤维被安置在需要其发挥作用的任何位置，多条纤维甚至可以在整个零部件中形成一系列传感器。与此同时，由于3D打印不再需要工具或模具，因此它提供了一步制造方法来生产任何形状的连续纤维增强复合材料，从而取代了更复杂、耗时且昂贵的传统多步制造技术。

在国防应用领域，3D打印技术无疑提供了一种低成本、省时的方法来制造轻质、拓扑优化的结构部件。2021年3D打印技术参考报道了美空军研究室大力开发连续复合材料3D打印并用于无人机机翼成型的案例。2023年，3D打印技术参考注意到，德国宇航中心（DLR）结构与设计研究所为航空航天领域高性能结构件开发了全新的设计思路和相关制造工艺——热塑性复合材料增材制造技术，这是一种融合3D打印技术和自动铺丝技术的复合制造工艺。而对于十四五重大科研计划中的本项目，由航空背景的相关团队领导或可理解。

据航空科学技术杂志指出，连续纤维3D打印技术与传统的自动铺丝成形相比，自动化程度和柔性更高，对于典型的碳纤维／聚醚醚酮零件，研发周期可缩短至原来的1/30，生产速度可提高100倍。使该技术既可以用于大批量生产复合材料零件，也可以一次性打印高度复杂的几何形状或者需要极其精密制造的关键零件，被认为将颠覆航空复合材料结构的生产模式。