卢秉恒院士团队：连续纤维增强聚合物复合材料的3D打印——发展、应用与展望

与金属和合金材料相比，连续纤维增强树脂基复合材料（CFRPC）具有质量轻、比强度和比模量高的特点，广泛应用于汽车、飞行器和航天领域。例如可以用于先进飞机机身制造，如空客远程宽体大飞机A350 XWB，其复合材料碳纤维复合材料占机体结构重量的53％，是当今世界上复合材料占比最高的大飞机。

纤维增强复合材料的典型应用

关于3D打印连续纤维增强树脂基复合材料的创新开辟了低成本设计和制备的新时代，可作为一种弥合先进材料与新型结构之间差距的关键技术。依据材料、结构、工艺和功能之间的关系，西安交通大学卢秉恒院士团队李涤尘教授、田小永教授等成员在《中国机械工程学报:增材制造前沿》发表了题为“3D Printing of Continuous Fiber Reinforced Polymer Composites: Development, Application, and Prospective”的文章。本文综述了3D打印连续纤维增强树脂基复合材料的最新研究进展，并对其未来的研究趋势及应用领域进行了分析和展望。

波音787飞机中使用的复合材料总体分布

热塑性塑料及其复合材料是3D打印工艺中最重要且使用最广泛的原材料之一，例如材料挤出、激光粉末床烧结，为多用途材料的集成设计和制造提供了有效的方法。这两种工艺使用各种短纤维、颗粒作为热塑性复合材料的增强相，由于增强效果较弱，机械性能的改善有限（最多20%）。连续纤维复材3D打印的创新为高性能、低成本的复杂复合材料结构的设计和制造开辟了新纪元。

CFRPC 3D打印中材料结构-工艺性能/功能的关系

在纤维选择方面，连续纤维复合材料 显然由至少两种成分组成，即作为增强材料的连续纤维和作为基体的聚合物。复合材料的强度、弹性和承载能力等主要性能源自增强纤维。根据不同应用的要求，通过3D打印制造连续纤维复合材料，可以用碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维、黄麻等天然纤维，以及超高分子量聚乙烯纤维等增强聚合物。由于碳纤维具有高刚度和强度，它主要用作3D打印复合材料的增强材料，特别是在航空航天和车辆领域的应用。更重要的是，直径极细的1K碳束可以成功的从喷嘴中挤出。3D打印复合材料中碳纤维的可变束径（1K、3K等）协同提高了最终的力学性能和精度。玻璃纤维相对便宜并且表现出相当好的机械性能，对重量和强度要求不高，因此通常用作3D打印复合材料的增强材料，尤其是体育行业。凯夫拉纤维因其轻质、耐冲击的特性，常用于轻质复杂结构复合材料的3D打印。黄麻纤维被归类为源自植物的天然纤维，用于增强“绿色”复合材料。尽管超高分子量聚乙烯纤维重量轻、强度高，但由于其熔化温度低，需要较低熔化温度的基体才能兼容，因此很少用作3D打印的增强材料。

纯聚合物及纤维增强复合材料的3D打印应用

根据分子结构的不同， 连续纤维复合材料 3D打印中使用的聚合物基体可分为热固性聚合物和热塑性聚合物。热固性聚合物具有交联的聚合物网络，因此具有良好的热稳定性和化学稳定性以及高强度。由于热固性树脂具有很强的三维空间网络，一旦固化就无法重复使用。这与具有可重复利用和可回收性的热塑性聚合物形成鲜明对比。在材料挤出中使用热固性复合材料时，为了实现固化反应，需要过早凝胶化和后处理的固有限制过程的相关研究很少。热塑性聚合物材料挤出被广泛用作3D 打印中的基体。由于热塑性聚合物的选择范围很广，因此在为成品选择合适的聚合物时，了解材料特性（物理和机械特性）和可打印性非常重要。作为3D打印复合材料的原材料，热塑性塑料如聚乳酸（PLA）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）以及尼龙（PA），已得到广泛应用。随着对耐温性和生物兼容性的要求不断提高，聚醚醚酮（PEEK）等先进塑料被用来满足航空航天和生物医学应用领域不断增长的关键要求。

为抓住3D打印连续纤维增强树脂基复合材料的机遇并应对挑战，文章描述了这类技术的典型应用和未来前景，并指出需要更多的跨学科研究以涵盖先进材料、工艺与装备、结构设计和智能终端功能等方面。